Tema 1. Genética 5. Identificación del material hereditario

Transcripción alternativa:

como esqueleto sobre el que se asientan las proteínas. En ciencia es fácil dejarse llevar por pruebas circunstanciales y no comprobar todas las hipótesis. Se pensó que era imposible que el ADN fuera el responsable de toda la variabilidad de la vida. Hubo una confusión pensando que el ADN solo estaba en los animales y el ARN en los microorganismos y plantas. A finales de los años 30 se aceptó que todos los organismos vivos tienen su material genético en forma de ADN. En ese tiempo se sabía que la nucleína contenía 4 bases (A, G, C y T). La hipótesis de tetrámero monótono afirmaba que las estructuras se repetían sin variación. Los organismos necesitados para el estudio de genética eran sencillos: bacterias y virus en vez de drosophila. Pero si no tenían capacidad de mutación y posibilidad de recombinación no servirían. EXPERIMENTO DE GRIFFITH: Griffith experimentaba inyectando bacterias sputos de humanos enfermos de neumonía en ratones que morían de septicemia. Ahí podía aislar dentro de la sangre, una serie de bacterias que tenían una cápsula que las daba un aspecto liso, y por eso las llamó células S. Probaba y veía que al inyectar unas capas R los ratones no moría, y al aislar su sangre se veían células R. El siguiente paso fue mezclar las dos capas y meter alguna capa virulenta muerta. El ratón murió y en la sangre se aislaron colonias de células S vivas. Eso le llevó a pensar que había algo que transformaba las capas R en virulentas (principio transformante). Pensó que era una proteína. Las dos capas solo se diferenciaban en la capacidad de formar esa cápsula glicoproteica, por lo que esa capacidad determinó su virulencia. Al meter células S, el ADN se fragmentó. AL juntar las 2 bacterias, algún trozo del ADN fragmentado puede incorporarse en la bacteria R. Si ese trozo existe, es capaz de crecer la cápsula (capacidad virulenta). Estos experimentos fueron repetidos muchas veces con otros caracteres y siempre ocurría lo mismo, incluso in vitro y en medios acelulares. EXPERIMENTO DE AVERY: Dos estadounidenses se propusieron aislar el principio transformante. Empezaron viendo que seguía funcionando cuando se extraían las proteínas y los lípidos. Todas las enzimas, como la tripsina, la quimotripsina o la ribonucleasa, no inactivaron el principio activo, de hecho, incluso inactivaron enzimas como la exonucleasa. Además, todos los experimentos apuntaban a que el principio transformante era el ADN. Durante este tiempo pasó un período inestable pero a finales de los 40 ya estaba prácticamente aceptada. EXPERIMENTO DE HERSEY Y CHAISE: A principios de los 50, aparecieron los primeros microscopios electrónicos, con ellos se podían ver las células mucho más grandes, como por ejemplo virus atrapados en bacterias. El siguiente experimento se marcó algunos componentes de las proteínas y el ADN. Marcaron P (P32) y S (S35). Con esto veían lo que ocurría de verdad: cuando los fagos estaban encima de las bacterias vieron que el fago solo era como una jeringa introduciendo el ADN vírico en la bacteria porque el S se quedaba fuera y el P dentro, y también vieron que se reproducía porque salían más fagos. Con esto nadie pudo negar que el material genético está en el ADN. ÁCIDOS NUCLEICOS: Los ácidos nucleicos contienen: AZÚCAR. Desoxirribosa (ADN) o ribosa (ARN). ÁCIDO FOSFÓRICO (H3PO4). BASES NITROGENADAS, que pueden ser púricas (A y G) o pirimidínicas (C, T y U). La base, sumada al azúcar da un nucleósido, y si a esto se le suma un ácido fosfórico da un nucleótido. Chargaff descubrió el emparejamiento de las bases A=T y C-G y se planteó que si las bases variaban, era difícil que representasen la variabilidad de la vida. A+C/T+G=1 Entre 1950 y 1960 había varias teorías de cómo se producía la replicación del ADN. Además se estaban investigando las enzimas, capaces de replicar esas copias. Encontramos tres teorías: ● Watson y Crick proponían que fuera de modo semiconservativo (una cadena nueva y otra vieja). En 1958 un experimento crucial, hecho por Meselson y Sthäl demostró cómo se replicaba el ADN. Para realizar el experimento cultivaron una cepa de E.coli en cloruro amónico, utilizando un isótopo de N, el N15. Estuvieron así muchas generaciones para asegurarse de que todo el N era N15. Tras esto extrajeron el ADN y vieron que había una franja que correspondía al N15. Inmediatamente empezaron a utilizar como fuente el N14, y obtuvieron muestras cada cierto número de divisiones. EN la primera división muestrearon y encontraron una banda híbrida formada por N15 y N14. En la siguiente división encontraron una banda híbrida de N15 y N14 y una ligera más pequeña. En las siguientes seguían encontrando la banda híbrida y la banda ligera iba haciéndose cada vez más grande, demostrándose así lo propuesto por Watson y Crick. ● La replicación conservativa decía que se sintetizaba una nueva hélice a partir de una existente. Esto no era capaz de dar la explicación, ya que podía significar también la teoría dispersiva. Tras aislar la banda híbrida y centrifugarla en un gradiente de densidad de cloruro de Cesio, la desnaturalizaron (separaron las dos cadenas que forman la doble hélice). Vieron que aparecían dos bandas totalmente separadas, una perteneciente a la banda gruesa (N15) y la otra perteneciente a la banda ligera (N14). De esta forma demostraron de manera irrefutable la teoría de Watson y Crick. FORMAS DEL ADN ● La teoría dispersiva decía que la replicación se hace a trozos y que cada hélice tendría trozos antiguos y trozos nuevos. FORMA B: el modelo de Watson y Crick se corresponde a la forma B del ADN, la presente en el núcleo de todas las células unida a proteínas para formar histonas. Existen otras formas en las que puede aparecer, la forma A, la forma C y la forma Z. FORMA A: al deshidratar la forma B del ADN, obtenemos la forma A del ADN, más achatada y ancha que la B. Se encuentran en el límite para dar vida, pero se ha encontrado en algunos individuos. FORMA C es un hallazgo de laboratorio. No es compatible con la vida. FORMA Z es de gran importancia biológica, y al contrario que las demás formas, es levógira en vez de dextrógira. Los azúcares se disponen en zig-zag. En condiciones ligeramente altas de sal, o cuando la citosina se sustituye por 5-metil-citosina, el ADN pasa de forma ma Z. REPLICACIÓN: Sabemos que las funciones más importantes del ADN van a ser: Producir copias de sus moléculas. Servir de molde para otras iguales El modelo de la doble hélice es sencillo, está escrito en un alfabeto de 4 letras (A, C, G y T). La replicación es de manera semiconservativa. Watson y Crick pensaban que la replicación precisa era necesaria. Estas cadenas son un híbrido entre una cadena antigua y una nueva. Las cadenas individuales se conservan de una generación a la siguiente, pero no las interacciones. La replicación es un proceso complejo donde intervienen enzimas, que constituyen la maquinaria de replicación. Las cadenas deben separarse, la síntesis de las cadenas hijas debe iniciarse y las cadenas deben alargarse. La replicación debe de realizarse de manera exacta y fidedigna. Las enzimas que hacen ADN son las ADN-polimerasas, que son capaces de alargar cadenas, pero ninguna es capaz de iniciarla. Todas las polimerasas esencialmente elongan las cadenas de ADN. Añaden nucleótidos al extremo 3'OH libre. TODAS LAS CADENAS DE ADN CRECEN POR EL EXTREMO 3'. La polimerasa necesita que alguien le aporte el extremo 3' antes de que se inicie la replicación, la ARN primasa, un pequeño cebador que va a proporcionar este extremo. En las bacterias solo existe un origen de replicación. Para que empiece la replicación del ADN la hélice superenrrollada debe relajarse, lo cual se consigue gracias a la actuación de las topoisomerasas. Una vez el superenrrollamiento se relaja, actúan las helicasas, que separan las dos hélices mediante la ruptura de los puentes de H. Se empieza a abrir la horquilla de replicación por el oriC (único punto en el caso de los procariotas). Para que la polimerasa acceda a toda la información se van a unir una serie de proteínas de unión, la proteínas SSB, que van a mantener tensa la cadena para que las ADN polimerasas puedan acceder. La construcción del ARN cebador corre a cargo de la ARN primasa, y va a emparejar con cada una de las hebras. Tras esto la ADN polimerasa será capaz de colocar los nucleótidos y elongar. Todas las polimerasas pueden hacer nuevos ADN, y la mayoría tienen función exonucleasa en dirección 5' y 3' (en bacterias, Pol I, Pol Il y Pol II). Unas son más eficaces que las otras en función replicasa. Cuando tenemos un único origen de replicación (BACTERIAS) la replicación es bidireccional. Hay una hebra conductora (más rápida) y una retardada. En 1968 Okazaki y colaboradores descubrieron unos fragmentos de ADN para poder sintetizar la hebra rezagada. Los denominaron fragmentos de Okazaki, que tienen de 1000 a 2000 nt en procariotas y unos 200 en eucariotas. Esto es lo que ocurre en procariotas, sin embargo, si en eucariotas hubiera sólo un origen de replicación, se tardaría en replicar todo el ADN unas dos semanas, pero, tarda solamente 15 minutos, esto es gracias a la existencia de muchas horquillas de replicación. Las polimerasas son muy parecidas a las de procariotas, pero se denominan Pol alfa, Pol beta y Pol gamma. Hay organelas con ADN procariota, cloroplastos y mitocondrias, que tienen un solo origen de replicación, al contrario que el del núcleo. En las bacterias hay solo un cromosoma circular, mientras que en el núcleo hay muchas y el ADN es lineal. Las exonucleasas cortan por los extremos el ADN lineal y las endonucleasas cortan por dentro, y en las bacterias son las únicas que actúan. Las polimerasas de eucariotas son menos eficaces que las de procariotas, pese a que son más grandes. En los ciclos celulares hay dos fases claramente diferenciadas, la fase de síntesis, donde se replica el ADN y otra fase donde el material que se ha replicado se reparte entre las dos células hijas. Entre estas dos fases hay un intervalo donde la célula se prepara para replicar el material hereditario, y otro donde la célula se prepara para repartirlo. Hace 20 años se descubrieron una serie de secuencias, los ARS (secuencias de replicación autónoma), en los plásmidos, que también existía en las levaduras y era donde se iniciaba la replicación. Posteriormente se vio que aparecían en todas las eucariotas y que estaban formadas por unas 200 pases de las cuales 11 eran una diana (si se mutaba una no se abría la horquilla). Las horquillas estaban formadas por las ARS. Para que se abrieran existían una serie de enzimas de entre 6 y 8 proteínas que forman el complejo de reconocimento del origen (ORC). Las proteínas son ciclinas dependientes de quinasas (CDK). En la actualidad se conocen muchas CDK, intercambiables, y que son capaces de abrir las horquillas de replicación, luego, son capaces de iniciar la fase S del ciclo celular y determinan el paso entre G1 y S. En el ADN eucariota los telómeros en cada replicación perdemos un trozo de información, ya que hay un trozo que, cuando acaban los cromosomas, no puede aparearse con nada. Por eso en los telómeros existen una serie de replicaciones (TTGGGG en hombres o TTAGGG en algas), que pertenecen a los genes de envejecimiento celular. Nuestro mensaje genético tiene 3600 millones de pares de bases. Si se pone mal un nucleótido cada mil millones, tendrían 3600 equivocaciones, lo cual es mucho. Las ADN polimerasas, copian las cadenas con muy alta fidelidad. El cambio de una única base puede provocar enfermedades terribles, por lo que existen sistemas de corrección de errores absolutamente eficientes que evitan que las polimerasas se equivoquen. Solamente aparecen en la replicación. CORRECCIÓN DE ERRORES Hay un sistema mediado por las polimerasas, el sistema de reparación de emparejamientos (SRE) que hace casi imposible que una polimerasa se confunda. La situación más perfecta es cuando A y T se unen pero si, por ejemplo, la A se une con la G, la situación deja de ser estable y la hélice cambiaría abombándose un poco o achatándose, dependiendo de la situación. Los SRE revisan el nucleótido anterior y si no está bien puesto lo vuelve a escindir. A veces ocurre que a pesar de todos esos controles, hay emparejamientos que no siguen las reglas de Chargaff. Existen una serie de secuencias que señalan la existencia de desapareamientos que tienen la adenina metilada. Cuando esto sucede, una endonucleasa rompe la hélice, una polimerasa coloca el correspondiente y una ligasa lo une. SIEMPRE SE CORRIGE SOBRE LA HÉLICE NO METILADA, YA QUE ES LA QUE MENOS TIEMPO LLEVA SINTETIZADA. Además de estos mecanismos existen otros mecanismos que se producen o empiezan a funcionar cuando se producen lesiones dentro del DNA, como por ejemplo la mayoría de las lesiones que se producen están relacionadas con las radiaciones. Cualquier elemento que induzca al cambio de las bases induce a la producción de lesiones. Una de las más usuales son los dímeros de pirimidina causados por la absorción de radiación UV por parte de las pirimidinas. Cuando dos timinas están contiguas una gira y forman enlaces covalentes entre ellas, mucho más fuertes que los de H, produciendo una distorsión en la doble hélice bastante importante. La enzima fotorreactivante rompe el enlace covalente con la misma energía de la luz UV, y la correndonucleasa de corrección o endonucleasa UV lo que hace es romper la hélice, va a sacar el nucleótido, pondrá otra timina nueva y se ligará con una ligasa. La diferencia es que la primera no rompe la hélice y la segunda sí. Existen numerosas enfermedades asociados a la falta de estos enzimas, como la Xenoderma pigmentosum: la mayoría de sus enfermos no deben exponerse muchos al sol, ya que tienen entre el 0 y el 50% de los enzimas solamente, pudiendo degenerar hasta cáncer de piel. Cuando estos fenómenos perduran en el tiempo lo que va a ocurrir es que estos mecanismos se van a activar a la vez, dando lugar a la reparación SOS, que está formado por un grupo de proteínas que funcionan a la vez cuando estos fenómenos ocurren y paran la replicación para proteger el genoma cuando existen muchos agentes físicos y químicos que modifican la información. Para terminar, estos sistemas están acoplados en los eucariotas, y cualquier problema de no detectar un problema va a conducir a una mutación que puede ser solamente el cambio de una base nitrogenada dentro de la información del mensaje genético, de tal forma que cada individuo lleva unas 4 o 5 mutaciones perjudiciales. MUTACIONES: Una mutación es un error en el almacenaje de la información genética. Si se produce un cambio en la información almacenada puede reflejarse en la expresión y puede propagarse por la replicación a lo largo de las generaciones. Hay muchas clasificaciones de las mutaciones. La mutación fue nombrada por Hugo de Vries, en 1901. Todas las mutaciones génicas son el origen de la mayoría de los alelos y las combinaciones génicas. En una mutación siempre debe haber un efecto fenotípico para poder estudiarla. Los nuevos alelos que surgen son la materia prima sobre los que actúa la selección natural. La característica más importante de las mutaciones es su aleatoriedad. Cualquier mutación puede describirse como espontánea, de forma que hay un cambio en los genes de forma natural, o inducida, si es por un agente físico o químico. ● MUTACIONES SOMÁTICAS EN LOS TEJIDOS: tienen menos gravedad porque normalmente se producen en alelos recesivos, aunque si es en el alelo dominante cobra más importancia. En general cualquier fenómeno que aumente la reactividad química de las bases va a ser un posible mutágeno. MUTACIONES GAMÉTICAS: pasan a través de las generaciones provocando un cambio en las secuencias de los genes y por lo tanto de la información. Un gen es una unidad de herencia genética relativamente compleja especialmente en eucariotas, pero para simplificar lo vamos a considerar una secuencia lineal de pares de nucleótidos que representan información química almacenada. El código genético está almacenado en forma de tripletes, de tal manera que tres bases van a conformar un nucleótido. El cambio más sencillo es la sustitución de un solo nucleótido, lo que se denomina mutación de punto: TRANSICIÓN: cambio de mismo tipo de base. TRANSVERSIÓN: pirimidina por purina, la cual revierte en peor. MUTACIONES DE FASE O PUNTO DE LECTURA: ● ● Pueden ser por: DELECCIÓN: pérdida de una base nitrogenada. INSERCIÓN: la entrada de una base nitrogenada. También puede haber mutaciones que afecten a los codones finales (UAG UGA UAA), se va a determinar la continuación de las cadenas peptídicas y por lo tanto se constituyen proteínas distintas en el DNA a las que debería haber. Los cambios teutoméricos consisten en que no emparejan bien las reglas de Chargaff. MUTACIONES DE LOS ANÁLOGOS DE BASES: Son mutágenos químicos que pueden sustituir a las bases durante la biosíntesis de los ácidos nucleicos. Los agentes alquilantes ceden grupos alquilo o aminos a las bases, como son los EMS o los gases mostaza, que afectan a los desemparejamientos. En bacterias hay un único cromosoma anclado a la membrana. Sin embargo, pueden aparecer réplicas. En los virus el material genético puede estar en forma de ARN (sólo se da en el caso de los virus) (se dan todas la posibilidades como forma de material genético). Tienen la capacidad de transformarlo en ADN de doble cadena. Toda la información genética se organiza en forma de cromosomas. CROMOSOMA: material genético organizado. Su función es conservar, transmitir y expresar información genética. Suele estar unido a proteínas forma la fibra de cromatina. Antes de la década de los 50: ● Hetwig: primero en observar la metafase: Blakeslee y Avery: desarrollaron la técnica de squash: consiste en el aplastamiento, entre un porta y un cubre, de células en crecimiento, para poder ver los cromosomas. (Pueden teñirse los cromosomas). Década de los 50: Desarrollo de los choques hipotónicos Hsu. Desarrollo del microscopio electrónico. Tinción con fluorocromos Ver cromosomas mediante bifluorescencia. Desarrollado por Caspersson. Número cromosómico humano: 46 cromosomas. Trisomía del cromosoma 21: Síndrome de Down. Lej`eune. Se vieron cromosomas enteros con el ME. (Gall) Los cromosomas no son más que material genético empaquetado. Están constituidos o integrados por: 80% proteínas. Estas pueden ser de dos tipos: O Histónicas O No histónicas ó acídicas. 15% ADN. 3% ARN. 2% otros componentes: lípidos, polisacáridos, Ca2+, Mg2+, Fe2+. ADN: molécula lineal, extraordinariamente larga. Todo el ADN no codifica para proteínas. En realidad, en organismos superiores hay más ADN del que realmente se necesita para codificar y para que funcione el organismo. VALOR C: cantidad de ADN por genoma haploide. Los humanos tenemos alrededor de 30000 genes (se supo al secuenciar el genoma en 2001). Únicamente se va a transcribir el 5% del ADN. Organización del ADN dentro de los cromosomas: Dentro de los cromosomas el ADN se organiza en secuencias. Estas se secuencias en las cuales se organiza se clasifican en: Secuencias únicas: tipo de secuencia más común en las bacterias. Son secuencias que están una única vez en el genoma. Secuencias repetidas: comunes en eucariotas. Dentro de ellas encontramos: O Duplicaciones de loci individuales (por ejemplo, para producción de Hb y tripsinas) O Moderadamente repetidas: Pseudogenes: no ARN Orfones: derivan de familias multigénicas en tándem. O Altamente repetidas: 103-106 veces en el genoma haploide. Es lo que se conoce como ADN egoísta: se creía que no tenía función, aparte de catalizar su propia replicación, sin embargo, hoy en día se sabe que pueden ser reguladores y promotores de otros genes; ahora bien, pese a que a día de hoy se trabaja con él, no ha llegado a conocerse totalmente la función que desempeña. Empaquetamiento del ADN Hay aproximadamente 1m de ADN en cada célula, que se empaqueta y se hace unas 200000 veces más pequeño de lo que es. Este empaquetamiento de la molécula de ADN en los cromosomas se produce de la siguiente manera: ● El ADN, con ayuda de ciertas proteínas, forma lo que se conoce como fibra de cromatina (nivel básico de empaquetamiento). Estas proteínas de las que hablamos son de dos tipos: NO HISTÓNICAS O ACÍDICAS: están en el núcleo y tienen diversas funciones. Además de su variedad funcional presentan una gran variedad estructural, de manera que encontramos: O Proteínas no histónicas enzimáticas: determinan procesos en los que está implicado el material hereditario. Proteínas no histónicas implicadas en la regulación génica. Proteínas no histónicas estructurales: O O HMG CMG BÁSICAS O HISTÓNICAS: fundamentalmente histonas. A día de hoy se han descrito cinco tipos. Forman parte de la fibra de cromatina y ayudan al ADN a empaquetarse. Contienen entre 98 y 216 aa y se asocian al ADN mediante enlaces electrostáticos formando así el nucleosoma. NUCLEOSOMA Integrado por un complejo nucleosomal (octámero de histonas o complejo octamérico) y ADN que se enrolla alrededor de este complejo (dando dos vueltas de hélice). A cada lado queda ADN espaciador (fibra desnuda de ADN). Así, se forma una estructura a modo de "collar de cuentas", en el que cada "bolita" (estructura formada por 4dímeros de histonas) mide unos 10 nm. La función del espaciador variará en función de distintos factores. El nucleosoma es la unidad básica de la fibra de cromatina, la cual mide entre 20 y 30nm aproximadamente. Todos los cromosomas constan de una única molécula de ADN que se replica semiconservativamente. La forma en que la fibra de cromatina se pliega para dar lugar, finalmente, al cromosoma mitótico, ha sido objeto de numerosos estudios. Hasta el momento han surgido diversas teorías que intentaron explicar el proceso. Dentro de estas teorías encontramos: Modelos basados en la existencia de un eje proteico sobre el que se va enrollando el cromosoma. Modelos basados en jerarquías de espirilizaciones: la fibra se cromatina se va plegando haciendo espirales excéntricas formando así el cuerpo de la cromátida Modelos basados en trayectorias de fibra compleja: en vez de basarse en sucesivas jerarquías, establecían que, la fibra de cromatina va cambiando, pudiendo ser vertical, horizontal, excéntrica. A día de hoy, se sabe que existe un eje no proteico, sino formado por fibras de cromatina, alrededor del cual se insertan otras fibras de cromatina formando así el cuerpo de la cromátida. ● En realidad, lo que sabemos es que el cromosoma es la representación, siempre cambiante (tanto en el espacio como en el tiempo) del material genético empaquetado de la forma más óptima para su división en dos células hijas tras la división celular. Cabe destacar que la fibra de cromatina que forma los cromosomas no es uniforme y además existen dos tipos: Eucromatina: cromatina que va a formar los genes activos. Se empaqueta y desempaqueta a lo largo del ciclo celular. Es una cromatina transcriptora, bastante sensible a tratamientos físicos y químicos (por lo que mencionamos antes de que se empaqueta y desempaqueta en cada ciclo celular). Está compuesta, mayoritariamente, por pares de bases G-C Heterocromatina: excepcionalmente compacta y densa. Gran resistencia metálica a la tracción. De replicación tardía a nivel de transcripción; difícilmente atacable por tratamientos físicos y químicos, porque está muy empaquetada. Es inactiva a nivel de transcripción y tiene un alto porcentaje de bases A-T. Se divide a su vez en dos tipos: Heterocromatina constitutiva: en todos los pares de cromosoma, en el mismo sitio en los dos cromosomas homólogos (hablamos ya de seres diploides). Heterocromatina facultativa: está solo en algunos cromosomas, como ocurre, por ejemplo, con el cromosoma X de las hembras de mamíferos, que está permanentemente condensado. BANDAS CROMOSÓMICAS: regiones cromosómicas que hay al principio de todos los cromosomas. Estructura interna de los cromosomas. Para el estudio de la estructura de los cromosomas se trataron cromosomas al ME con distintas sustancias. Al hacer esto, aparecieron una serie de bandas que se nombraron según el colorante o sustancia con la que se trataban. De esta manera, en un primer momento, se describieron tres tipos de bandas cromosómicas: Bandas G y Q: corresponden a las mismas regiones cromosómicas. Aparecen cuando se tratan cromosomas con proteasas +Giemsa o con proteasas con mostaza de quinatrina o cromatina (no sé cómo se escribe esto). Al principio se describieron como dos bandas distintas, por un lado las G y por otro las Q, pero pronto se descubrió que correspondían a las mismas regiones cromosómicas. Estas regiones corresponden a heterocromatina constitutiva, está exactamente en la misma región en los dos pares de homólogos. Las bandas G y Q no son únicas, sino que aparecen varias a lo largo del cromosoma; son, además, específicas de cada uno de los cromosomas. Corresponden en TODOS los casos a heterocromatina constitutiva Bandas R: apareció como resultado de tratar cromosomas con tampones fosfato, en general calientes, y con Giemsa. Se denominó de esta manera porque eran los reversos de las bandas G. Eran justamente las que no aparecían cuando se hacían las bandas G. Estas están compuestas por eucromatina (cromatina trascriptora, soporte de genes activos, atacable por tratamientos físicos y químicos, en cada ciclo se condensa y descondensa; activa a nivel de transcripción y tiene un alto porcentaje C- G). Bandas C: aparecen como resultado de tratar cromosomas con sales alcalinas calientes (hidróxidos de barios, de sodio). Está en una región determinada donde se unen las cromátidas. Está constituida por heterocromatina constitutiva (está en los dos homólogos exactamente igual), pericentromérica (porque está alrededor de la región del centrómero: región que une las dos cromátidas). Se vio que existía diferencia entre la heterocromatina constitutiva de los brazos cromosómicos respecto a la región del centrómero. En la actualidad se conocen muchos más bandeos, pero estos son los más relevantes. Bandeos de restricción, por ejemplo... REGIONES A parte de la estructura interna, dentro de los cromosomas se pueden ver regiones distintas, una de estas son las bandas, pero además vemos otras regiones que pueden ser distintas en el caso de los cromosomas: 1. Región del centrómero: une las dos cromátidas, que se separan cuando se acortan los filamentos del huso acromático dirigiéndose así en dirección a los polos. Se rompe el cromosoma por esta región. Cuando se estudiaron cromosomas al ME, se observó que a nivel del centrómero existían cuatro acúmulos esferoidales de cromatina. A partir de esto surgieron hipótesis, entre ellas, algunas establecían que, en realidad, las fibras de cromatina de una cromátida y de la otra, se relacionaban a nivel del centrómero mediante estos acúmulos esferoidales. Lo primero que se pensó, es que las fibras de cromatina, a nivel centrómero, se cruzaban formando dos cuerpos de la cromátida en esta región. Sin embargo, posteriormente en la anafase se tenían que romper estas fibras de cromatina. En los años 70, se describió o estableció un modelo que explicaba cómo se relacionan las fibras de cromatina a nivel del centrómero. Este modelo que se propuso consistía en lo siguiente: a nivel del centrómero las fibras de cromatina emiten una serie de digitaciones que son compatibles con los acúmulos esferoidales de cromatina y se relacionan con las fibras de la cromátida hermana. Esto explicaría la facilidad con la que, en la anafase, cada una de las cromátidas se dirige a cada uno de los lados., es decir la facilidad con la que se separan, ya que se entiende una serie de fibras de cromatina como interdigitaciones que cazarían con las de la cromátida hermana permitiendo que sea fácil la separación de cromátidas en la anafase. El centrómero se compone de cromatina muy empaquetada en todos los casos. Cuando se descubrieron los cuatro acúmulos esferoidales de cromátida, se denomino a esta región centrómero cuatriparito. En los años 80, además de la región del centrómero se describió: 2. Región del cinetocoro: asociada completamente a la región del centrómero, al lado del centrómero, por la parte de fuera. Compuesta por proteínas. Es responsable de la estructura cóncava que aparece en todos los centrómeros, ya que comprime por fuera esta región del centrómero. Es en los cinetocoros donde se insertan los filamentos discontinuos del huso acromático, "tirando de allí" para separar las cromátidas en la anafase. Los cinetorcoros difieren en función de la especie: algunos están formados por tres láminas, otros únicamente por proteínas difusas... Sin embargo, siempre parece que hay un cinturón proteico externo que comprime al centrómero y le da la forma cóncava (región a la que está estrechamente unida) → Conexiones extracentroméricas: están a lo largo de todo el cromosoma y también mantienen unidas a las dos cromátidas. Van de un lado al otro de la cromátida, manteniendo su estructura cilíndrica. Estas conexiones son necesarias para que se produzca tracción del huso cuando se separan las cromátidas en la anafase. 3. Región del organizador nucleolar: está región, en los cromosomas, es la manifestación metafásica del nucleolo (donde están los genes de ARN ribosómico); cuando se rompe la membrana nuclear y la celular en la división celular, en la mitosis, queda una manifestación del nucleolo cuando se está en la interfase. Esta región se pone manifiesto si se trata cromosomas con sales plata, ya que los depósitos de plata van a identificar de manera inequívoca, todo el ARNr, es decir los genes que llevan la información para construir ARN y por tanto cromosomas. En la especie humana hay organizadores nucleolares en los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22. En las distintas especies, al tener distinto numero de cromosomas, estarán en distintos cromosomas estas regiones. 4. Telómeros: región donde acaban los cromosomas, es decir, sus extremos. En ellos, la fibra de cromatina no termina libremente, es decir, lineal, sino que va y vuelve libremente al cuerpo de la cromátida formando una estructura redondeada al final de los cromosomas. Estos telómeros, son una región importante, pues impiden que los cromosomas solapen unos encima de otros, es decir, en sitios inadecuados; son los responsables de mantener la información que hay en el cromosoma lejos de otras informaciones de otros cromosomas. Lo que hacen es reconocer sitios específicos de la membrana nuclear en la interfase, se anclan a ella y serán responsables de la organización clara y precisa de los cromosomas dentro del núcleo y del inicio de la membrana nuclear cuando se acaba la división celular en la telofase. Cada vez que se produce la división se pierde un trozo de información. Ahora bien, dentro de los telómeros, dentro de las fibras que van y vuelven al cuerpo de la cromátida, hay una información repetida numerosas veces (que se irá perdiendo en cada replicación), que actúa como un "contador de las veces que se dividen las células". Por tanto, en el telómero, existen algunos genes de envejecimiento celular, ya que, cuando se acaban todas estas repeticiones, y no son sustituidas, la célula envejece y muere. Existe una enzima, telomerasa (ribozima (enzima que no es una proteína sino un ARN), concretamente) capaz de añadir estas secuencias repetidas, que antes mencionamos, a los telómeros. Esta telomerasa funciona en multitud de cánceres, en los cuales las células no envejecen. A día de hoy, se está estudiando cómo funcionan las telomerasas y los telómeros. No sólo actúa en procesos cancerosos sino también en procesos normales de desarrollo. Ribozima: ARN que además de duplicarse a sí mismos, eran capaces de catalizar su propio corte. Enzimas formadas solo por ARN. En la actualidad, tienen un trozo de ARN más un poco de proteína, aunque si se separa el ARN solo es capaz de realizar la función. CLASIFICACIÓN DE LOS CROMOSOMAS: en función de la forma, del tamaño o del número. ✓ En función de su forma o de su morfología, se clasifican, según donde esté la región del centrómero, en: METACÉNTRICO: la región del centrómero está aproximadamente a la mitad del cromosoma. ACROCÉNTRICO: región del centrómero, más o menos cercana a uno de los extremos del cromosoma. (muy desplazado el centrómero) TELOCÉNTRICO: región del centrómero en uno de los extremos. → También podemos hablar de submetacéntrico (ligeramente desplazado), subtelocéntrico... ✓ En función del tamaño: supone un problema ya que los cromosomas cambian a lo largo del ciclo celular. Se considera el tamaño, para la clasificación, cuando están en metafase mitótica, cuando están condensados completa te. Se ordenan en función del tamaño, de mayor a menor (siempre), por ejemplo: en cariotipos. (No se aplica esta regla a los cromosomas sexuales). Las técnicas que se usan influirán en la longitud. El tamaño varía entre límites muy amplios, en todos los organismos. Pueden ser: Largos: entre 20 y 30 micras. Anfibios, monocotiledóneos. Cortos: 10 micras o menos. mamíferos en general, humanos, dicotiledóneos. ✓ En función del número: hay que tener en cuenta que el número cromosómico es muy variable. Cada especie tiene un número cromosómico distinto. En las especies diploides, las células somáticas tienen dos juegos de cromosomas (uno del padre y otro de la madre). Los humanos tenemos 44 autosomas y 2 cromosomas sexuales. En términos generales, hay constancia en forma, tamaño y número de cromosomas en cada especie, en todos los individuos. Es algo único de cada especie. Todos los cromosomas se ordenan en un cariotipo, desde el mayor hasta el menor (en cuanto a tamaño) y se ponen a parte los cromosomas sexuales: cromosoma X y cromosoma Y. Un caso interesante de variación numérica: caso de los cromosomas B. Los cromosomas B se dan muy poco en animales, suelen darse siempre en plantas; son cromosomas que no son necesarios, que parece que no hacen nada. No se conoce su función genética. Aparecen poco en animales porque suelen causar alteraciones en estos, a diferencia del caso de las plantas. Naturalmente, no hay correlación entre el número de cromosomas y el contenido y a cantidad de ADN. Las especies diploides siempre tienen números pares de cromosomas. Especies con un número de cromosomas impar (dentro de las diploides) suelen ser estériles (mula), porque es imposible que después se pueda producir una descendencia fértil. CROMOSOMAS SEXUALES: Dentro de todos los mamíferos hay sistemas de determinación genética del sexo. El determinismo genético del sexo viene determinado por la aparición de cromosomas sexuales, que determinan el sexo, y por una serie de factores y mecanismos genéticos que definirán el sexo final. Por otra parte estará la diferenciación sexual. ESTUDIO SEXO: La diferenciación sexual es muy distinta dentro del reino animal, sobre todo en exóticos. Esta diferenciación en organismos que no tienen cromosomas sexuales definidos estará determinada por las condiciones ambientales. Por ejemplo, en ciertos animales, si la temperatura cuando se están incubando los huevos es menor de 30 grados el individuo que nace es hembra, y si la temperatura es mayor de 40 grados nacen machos. El período sensible en la incubación es de 7 a 21 días (esto es en algunos reptiles). En peces la temperatura también va a poder determinar o influir en la diferenciación sexual; muchos peces, a diferencia de los mamíferos, no tienen cromosomas sexuales específicos (hay algunos peces que si tienen cromosomas sexuales). La determinación cromosómica del sexo en los animales normalmente está determinada por un sexo homogamético (los dos tienen la misma información) y uno heterogamético (distinta información). Normalmente el sexo heterogamético se corresponde con los machos y el homogamético con las hembras. Esto es propio de mamíferos sobre todo, porque por ejemplo, en las aves es al revés. Sin embargo, en otros grupos de animales, el sexo heterogamético serán las hembras. En las aves el homogamético, como ya dijimos, corresponde al macho, y en vez de nombrarlo XX se nombra ZZ; por otro lado el heterogamético se corresponde con la hembra y se nombra ZW en vez de XY. Dentro de los vertebrados hay numerosas posibilidades. Entre los mamíferos hay sistemas como el XO (producen la mitad de óvulos) que solo aparecen en ratones y en personas. En las mujeres dan lugar al síndrome de Turner y en los ratones los hace fértiles. Existe otro tipo de sistemas compuestos: varios cromosomas sexuales. (INSECTOS) PROPIEDADES DE LOS CROMOSOMAS SEXUALES: Las propiedades de los cromosomas sexuales son distintas a las de los demás porque, tienen una zona homóloga, en teoría, y una zona diferencial propia de cada cromosoma sexual (heterocigosis estructural). No hay ningún tipo de intercambio entre cromosomas sexuales. NUNCA. Además, existe una asincronía en la replicación. CROMATINA SEXUAL: Cuerpo de Barr. Cuerpo que se tiñe positivamente siempre. Fue descubierto por Barr y Beltran en 1951 cuando estudiaban neuronas. Veían que solo aparecía este cuerpo pegado a la cara interna de la envuelta nuclear en gatas y nunca en los gatos (animales en los cuales lo estaban estudiando), pensaron entonces que existía relación con el sexo del individuo. Esta cromatina sexual como ya dijimos es un cuerpo que se tiñe siempre, se observa en núcleos interfásicos de células somáticas. Desaparece en la mitosis y tiene relación con el sexo del individuo. A partir de 1950 se observa en todas las células y en 1960 se ve la relación que existe entre el cuerpo de Barr y los cromosomas X (por ser X es en mamíferos). El cuerpo de Barr va a ser el número de cromosomas X que haya en el cariotipo del individuo menos 1. (Las mujeres tienen dos cromosomas X y un cuerpo de Barr, los hombres tienen un cromosoma X y cero cuerpos de Barr, si hubiese tres aparecerían dos cuerpos de barr). Este cuerpo de Barr no es más que el cromosoma X inactivado de los mamíferos. Existe otra expresión de la cromatina sexual que sería el cromosoma Y condensado, y en núcleos interfásicos se llama cuerpo F. Al ser pequeño el cromosomas Y es muy poco probable que el cuerpo F se vea, por lo que casi siempre se ve es el cuerpo de Barr → Cuerpo de Barr: está en la cara interna, in vivo se distinguen el 46% de los cuerpos de Barr y con tinción un 95%. La información genética contenida en el núcleo se va a expresar en el citoplasma. Watson y Crick dieron el Dogma Central de la Biología Molecular. El ADN se replica y a continuación forma un intermediario mediante la transcripción, el ARN que posteriormente se va a expresar en forma de proteínas gracias a la traducción, ya en el citoplasma. La función más importante del ADN es expresar la información, el proceso de transcripción. En la actualidad, sabemos que desde el ADN podemos sintetizar directamente proteínas y que el ARN se puede transcribir inversamente. TRANSCRIPCIÓN Para que la información salga del núcleo al citoplasma, que va a ser el ARN, necesitamos el ARN porque el ADN es muy grande y no puede salir del núcleo, debido a que el ADN es bicatenario y el ARN no, además de la presencia de histonas, y porque solo solamente el 5% de la información del ADN es la que se va a expresar. El ARN copia solo las secuencias que se van a expresar. Las características del ARN son: Es lineal Es monocatenario ● El azúcar que presentan es la ribosa Tiene uracilo en lugar de timina. No necesita ningún tipo de emparejamiento, luego no cumple las reglas de Chargaff. Podemos obtener tres tipos de ARN: ARN ribosómico, que representa el 80% del ARN de la célula y es de vida larga. ARN mensajero o ARN heterogéneo nuclear, representa el 5% del ARN de la célula y es de vida corta, luego su síntesis y su degradación es rápida. ARN transferente que representa el 15% del ARN de la célula y es de vida larga. Las enzimas que son capaces de realizar el proceso de transcripción son las transcriptasas, que son ARN polimerasas-ADN dependientes. Si no tienen el filamento de ADN necesario para copiar no se cumple la transcripción. En procariotas y eucariotas son ligeramente distintas. En eucariotas son más grandes, más complejas, pesan más, etc. En los procariotas hay tres tipos de ARN Polimerasas, al igual que en eucariotas: ARN pol I, que transcribe para ARN ribosómico, y que trabaja en el nucléolo. ARN pol II, que transcribe para ARN mensajero, que trabaja en el nucleoplasma. ARN pol III, que transcribe para ARN transferente, que trabaja en el nucleoplasma. Todas las transcriptasas van a tener una serie de características: 2 cadenas alfa. ● ● ● ● 1 beta y 1 beta prima, que polimerizan. Un factor de iniciación, indica donde inicia la transcripción Un factor de terminación, indica donde para la transcripción. Los filamentos con sentido que se van a copiar también tienen una serie de características: Presenta un promotor. A continuación está la región del antilíder. Después está la región del gen estructural. Va a dirigir la síntesis de cualquier ARN o proteína que necesitemos, y que empieza con un triplete TAC. La región antitrailer. Presentan un terminador. ● ● La transcriptasa y el factor sigma se sitúan sobre el promotor. La síntesis del ARN es antiparalela. Lo primero que se transcribe es la región del líder, que no se va a traducir, pero que ayuda a iniciar la traducción. El tránscrito empieza con AUG, que es iniciador de toda proteína. A continuación se encuentra el gen estructural y el tráiler. Según que polimerasa actúe este tránscrito primario dará un ARN u otro. En el nucleoplasma se encuentran todas las enzimas encargadas de los procesos. Para proteger el tránscrito, se unen en el extremo 5' una serie de bases distintas por las exonucleasas, con 7-metilguanosina, dando el CAP. En la zona del final se sintetiza una cola de poli-A. Dentro del nucleoplasma el ARN madura antes de traducirse. A esa maduración se la denomina splicing. En los años 70 del siglo XX se vio que los genes eucariotas estaban en trozos. Esto fue una revolución en la comunidad científica. Se descubrió que dentro de los genes había secuencias que poseían información y otros que no, a los cuales se denominó intrones. A los que presentaban información se les denominó exones. Los intrones se quitaban del gen, de tal manera que una vez procesado quedaba para su traducción de forma seguida. El procesamiento, o splicing se produce mediante dos enzimas. Existen genes de todas las clases y condiciones, por ejemplo, el gen de la ovoalbúmina tiene 1720 pares de bases con 2 intrones, en cambio, el gen de la distrofina tiene 2 millones de pares de bases y solo 50 intrones. La maquinaria debe ser muy precisa dentro de la variedad de genes. Existen una serie de endonucleasas, enzimas que van a cortar el ADN por el centro, como las endonucleasas P y Q, capaces de reconocer los sitios de control, que suelen empezar por UG y acabar por AC y cortarlos, tras cortarlos mediante la creación de un loop. Así nos queda una secuencia continua capaz de codificar. Estudiando las endonucleasas P y Q vieron que estaban formadas de proteínas que presentaban un pequeño ARN unido a las proteínas, el cual era capaz por sí mismo de producir la escisión de los intrones, por lo tanto era capaz de actuar como una proteína, luego estaba realizando la función de un enzima, y a las endonucleasas P y Q se les denominaron ribozimas. Ese ARN con el tiempo era capaz de catalizar su propia replicación. Como el proceso lo hacía muy despacio, proporciona velocidad al proceso. En los 80/90 se propuso que quizás el primer organismo vivo fue una ribozima. En procariotas hay 10 genes de ARN ribosómico, que se traducen constantemente, es decir, son acoplados en el tiempo (se realizan a la vez), mientras que en eucariotas no están acoplados en el tiempo. Los ribosomas van a estar compuestos por ARN ribosómico y proteínas. Los ribosomas de procariotas y eucariotas son ligeramente distintos, pero están compuestos por una subunidad pequeña y una grande, que en procariotas es de 30 S y 50S, dando un ribosoma de 70S. En eucariotas las constantes de sedimentación son un poco mayores, 40S y 60S, que dan un ribosoma de 80S. Los ribosomas se pueden autoensamblar. En los procariotas solo el 0.4% del genoma es capaz de estar realizando el proceso continuamente. Los ARN pueden tener también diferentes constantes de sedimentación. La zona del gen estructural es ligeramente distinta. Está formada por una serie de zonas que son complementarias, y están separadas de las otras por bases extrañas, como metilguanosina. La zona del gen estructural presenta una zona d, una zona a, una zona a', una zona b, un anticodón, una zona b', una zona c, una c' y una d'. Al final siempre está un triplete, el CCA, donde se cuelga el aminoácido en el extremo 3'. Al plegarlo se forma la estructura en trébol. En procariotas existen 40 ARNt distintos, que se unirán a un aminoácido distinto y en eucariotas hay 60 ARNt distintos. El anticodón determinado a que aminoácido se une. Todos las cadenas crecen hacia el extremo 3'. El ARN interferente (iRNA) es un ARN de descubrimiento reciente. Es un ARN pequeño que existe en todas las células y se descubrió en los vegetales. Ocurre que este ARN interfiere sobre los procesamientos antes de que salga del núcleo y silencia genes (impide su expresión). Cuando se descubrió esto, se empezó a investigar sobre ello, y se sigue investigando. [En cualquier proceso tipo cáncer, si se para un gen, podría usarse como diana terapéutica]. El ARNI es lineal, pero es de doble hebra (una molécula se dobla sobre sí misma y se emparejan las bases). La unión es por puentes de H. Cuando la molécula se une, una proteína lo reconoce y va cortando trozos de ese ARN. Una vez corta los trozos, se sueltan los puentes de H y se forma un trozo más pequeño al que se unen las proteínas. Estos ARN se sitúan sobre el ARNm y emparejan con un trozo de ARNm. Cuando llega a ese trozo la traducción se para, ya que no se puede continuar. Las partes que sobran pueden degradarse o formar otro trozo nuevo de ARNI. Muchos ARNI son parte de los intrones, por lo tanto, los intrones se reciclan y pueden formar parte de otras estructuras. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS Recordamos que la información va siempre en el sentido ADN ARN→proteína, aunque veíamos que había modificaciones posteriores, la replicación del ARN y la transcripción inversa (ARN →ADN), que aparece sobre todo en los virus ARN (descubiertos a principios de los 50). Los virus que tienen la información en ARN para poder infectar la célula presentan una enzima, la transcriptasa inversa, que hace lo contrario que el ADN, es decir, convierte una secuencia de ARN en ADN en dos pasos: Primero se forma un híbrido ARN-ADN. En una segunda transcripción, ya copia toda la información en forma de ADN. Elige el filamento de ADN y lo copia en forma de ADN que se puede insertar en cualquier sitio de la célula infectada. ● Sabemos que la información está archivada en forma de tripletes, debido a la correspondencia de las bases y los aminoácidos, ya que si los codones fuesen de una o dos bases no habría correspondencia. La secuencia de bases va a determinar la secuencia en la cadena polipeptídica. Los aminoácidos son ensamblados en proteínas en los ribosomas, los cuales son todos iguales. Hay un iniciador, que siempre es AUG, que determina la metionina en eucariotas o la formil-metionina en procariotas. Sabemos que todos los ribosomas se van desplazando por el ARNm hacia el extremo 3¹. Para producir la síntesis necesitamos ARNr, ARNm y ARNt, que conduce los aminoácidos a los ribosomas. Los aminoácidos se cuelgan de los ARNt mediante el aminoacil-ARNt sintetasa. Esto ocurre en dos pasos: ● A continuación, desde el enzima se forma el complejo de transferencia (ARNt+aa). La síntesis de proteínas se da en tres etapas, iniciación, elongación y terminación. El ritmo depende de la temperatura, aunque es un proceso rápido en su conjunto. INICIACIÓN, ELONGACIÓN Y TERMINACIÓN En un primer momento, se unen enzima y aminoácido con la hidrólisis de ATP formando el aminoacil activado (enzima+aa+AMP). En el proceso de iniciación vemos que el ribosoma no se puede unir directamente al ARNt, luego se necesitan factores de iniciación. Todas las subunidades del ribosoma 30S activas intervienen, y se encuentran en el citoplasma separadas del 50S. Las subunidades presentan factores de iniciación: ● ● IF1, el cual estabiliza el complejo formado por ARNt, ARNm y la subunidad 30S. IF2 se une al ARNt iniciador y lo sitúa. IF3 es necesario para que la subunidad 30S se una al ARNm. Una vez que ocurre eso, el ribosoma viaja a lo largo del ARNm y va uniendo los aminoácidos. El proceso de elongación es la fase más rápida en toda la síntesis de proteínas. A continuación viene la terminación, que une los enlaces peptídicos y es más lenta. En la parte final actúan factores de liberación que determinan como se separan las subunidades del ribosoma y a dónde van las cadenas peptídicas. Hay tres tripletes que codifican la terminación, y no hay ningún aminoácido que pueda unirse a ellos. Son UAG, UAA y UGA, denominados codón ambar, codón ocre y codón opal respectivamente. Una vez que ocurre llegamos al sitio del tráiler y se va a liberar el último ARNt y se disocia el ribosoma, mediante factores de terminación. La unión de los dos primeros aa se realiza mediante la peptidil transferasa, capaz de formar el enlace peptídico. Por lo tanto, si se inhibe, se inhibe la síntesis de proteínas, ya que determina la formación del enlace peptídico. Los ribosomas viajan en dirección 3'. El desplazamiento del ribosoma a través del ARNm lo hace otra enzima, la translocasa. Existen antibióticos que inhiben cualquiera de las enzimas o de los pasos, como la tetraciclina (inhibe la entrada del ARNt al ribosoma), los aminoglucósidos, que son la estreptomicina, la kannamicina y la neomicina (se unen a la subunidad pequeña), la lincomicina (inhibe la peptidil transferasa) o el ácido fusídico (inhibe la translocasa). Una vez el péptido está sintetizado se pliega.