Organización cromosómica y Complemento cromosómico

ORGANIZACIÓN CROMOSÓMICA
Cromosomas
Una vez que se comprendió que el ADN alberga la información genética, fue
importante determinar cómo se organiza este ADN. Es decir que la pregunta
más importante era cómo se organiza el material genético para formar el
genoma de los organismos. El ADN se organiza en estructuras llamadas
cromosomas.
Se denomina cromosoma (del griego chroma, color y soma, cuerpo) a cada una
de las estructuras en que se organiza la cromatina del núcleo celular de
organismos eucariotas durante las divisiones celulares (mitosis y meiosis). La
cromatina es un material microscópico que lleva la información genética y está
constituida por ADN asociado a proteínas especiales llamadas histonas. Este
material se visualiza al microscopio como una sustancia con hilos delgados.
Cuando el núcleo comienza el proceso de división, ese conjunto de hilos inicia
una condensación progresiva que finaliza en la formación de entidades
discretas e independientes que llamamos cromosomas. Por lo tanto cromatina
y cromosomas son dos aspectos morfológicos de una misma entidad celular.
Los cromosomas fueron observados en células de plantas por el botánico suizo
Karl Wilhem von Nageli en 1842, y a su vez, por el belga Edouard Van
Beneden en lombrices. El citólogo alemán Walther Flemming en 1882 definió
inicialmente la cromatina como “la sustancia que constituye los núcleos
interfásicos y que muestra determinadas propiedades de tinción”. Por esto las
definiciones iniciales de cromosoma y cromatina son puramente citológicas. La
definición biológica se alcanzó a principios del siglo XX, con el
redescubrimiento de las Leyes de Mendel: el cromosoma constituye el material
genético organizado.
En 1889, Wilhen von Waldeyer dio el nombre de cromosoma que significa
cuerpo coloreado en griego. En 1910, Thomas Morgan describió que son los
portadores de los genes.
Funciones: Las funciones de los cromosomas son 3: almacenar, replicar y
transmitir la información genética.
La misma se almacena en las bases nitrogenadas de la molécula de ADN. La
replicación se produce cuando se autoduplica la molécula de ADN en el
período S de la interfase del ciclo celular. La información se transmite de célula
a célula por medio de la Mitosis y de generación a generación de individuos por
medio de la unión de gametas.
Constantes de los cromosomas: son tres
1. Número: es constante para cada individuo de una determinada especie.
2. Forma: es constante entre los miembros de cada par homólogo
3. Tamaño: puede variar entre 0,2 y 50 micrones.
Morfología de los cromosomas
Se la estudia en la Metafase de Mitosis, ya que es donde el cromosoma
alcanza el máximo grado de condensación.
Consta de dos cromátidas, es decir cada una de las partes que resultan de
dividir longitudinalmente un cromosoma. Cada cromátida es una molécula de
ADN, y una resulta de la replicación de la otra, por eso se las llaman
“hermanas”. Están unidas por el centrómero (= constricción primaria =
cinetocoro). El centrómero tiene 3 funciones principales:
1. es la zona del cromosoma que mantiene unidas a las cromátidas
hermanas
2. une el cromosomas a la fibra del uso acromático en la metafase de
mitosis y meiosis, y
3. facilita la migración de cada cromátida hacia los polos
El centrómero ocupa diferentes posiciones a lo largo del cromosoma y esto
sirvió a Darlington en 1936 para crear una clasificación que incluye a los
cromosomas en cuatro tipos:
1. METACENTRICOS: centrómero ubicado en la parte media del
cromosoma (fig. D)
2. SUBMETACENTRICO: centrómero ubicado entre parte media y el
extremo del cromosoma (fig. C)
3. ACROCENTRICO: centrómero ubicado muy cerca del extremo del
cromosoma (fig. B)
4. TELOCENTRICO: centrómero ubicado en el extremo del cromosoma
(fig.A)
Los brazos son las porciones que resultan de dividir transversalmente al
cromosoma por el centrómero. Cada brazo está formado por la mitad de dos
cromátidas.
Entre las constricciones secundarias distinguimos:
I. Constricciones 2º propiamente dichas: son pequeñas estrangulaciones
en cada una de las cromátidas. No están presentes en todos los
cromosomas pero son constantes en los que las poseen, permitiendo su
identificación.
II. Organizadores nucleolares: son adelgazamientos del cromosoma que
permite la formación de un cuerpo esférico llamado SATÉLITE, sirviendo
éste para la identificación de cromosomas. En esta zona, llamada NOR ,
se hallan los genes que permiten la síntesis de ARN que constituyen los
nucleolos.
Los cromosomas que poseen satélites se llaman “cromosomas sat” o
“satelizados”.
Telómeros: corresponden a los extremos de los cromosomas, cuyo ADN se
replica de un modo distinto al resto del ADN. Su función es proteger los
extremos de la molécula. Debido a su ubicación está expuesto al riesgo de
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 en forma de lazo y es protegido por un capuchón de proteínas.
Clasificación de cromosomas
Este sistema fue ideado por Levan y col. en 1964 tomando en cuenta tres
valores:
- c: longitud total del cromosoma
- s: longitud del brazo corto
- l: longitud del brazo largo
Diferencia cromosómica (d) es la diferencia entre longitud de brazos: l – s
Relación cromosómica (r) es la relación o cociente entre longitud de brazo
largo y brazo corto: l / s
Indice centromérico (Ic) es el valor que indica la ubicación del centrómero y el
tipo de cromosoma de acuerdo a la clasificación de Darlington anteriormente
mencionada. Se calcula así: (s / c) * 100. Este índice es importante porque
permite confeccionar cariogramas y cariotipos.
M
m
sm
st
t
T
Localización de centrómero
Punto medio
Región media
Región submedial
Región subterminal
Región terminal
Punto terminal
Valor d
0
0 – 2.5
2.5 – 5
5 – 7.5
7.5 – 10
10
Valor r
1
1 – 1.7
1.7 – 3
3–7
7-∞
∞
Valor ic
50
50 – 37.5
37.5 – 25
25 – 12.5
12.5 – 0
0
Estructura del cromosoma:
Se puede analizar la estructura de un cromosoma en 3 niveles distintos:
a) A nivel de microscopio óptico
b) A nivel de microscopio electrónico
c) A nivel molecular o químico
Veamos cada uno de ellos:
A nivel de microscopio óptico
En interfase se observa la cromatina (cromo= color, tina= sustancia) que es
como una sustancia coloreada dentro del núcleo. Se colorea con colorantes
básicos como ser la hematoxilina.
En profase se observa el cromonema, que es la cromatina que fue
espiralizándose. Toma el aspecto de hilos o hebras coloreadas. El ADN se
enrolla alrededor de proteínas histonas. Aquí se pueden ver los cromómeros
(meros= ovillos) que son enrollamientos de ADN que se colorean más
fuertemente y permiten la identificación.
En metafase se observan cromátidas, que es el máximo grado de
condensación de la cromatina.
En telofase comienza a desenrollarse la cromátida hasta llegar a interfase
como cromatina.
En resumen cromatina, cromonema y cromátidas son distintos estadíos
funcionales de la misma molécula (ADN + proteínas). Esto se llama Ciclo del
Cromonema y va de interfase a interfase.
INTERFASE
PROFASE
METAFASE
CROMATINA
CROMONEMA
CROMÁTIDA
A nivel de microscopio electrónico
A este nivel podemos ver la ultraestructura del la cadena de ADN que está
asociada a proteínas histónicas. Las histonas desempeñan un papel
fundamental en el enrollamiento de la cromatina. Se trata de proteínas básicas
cargadas positivamente, lo cual contribuye a la unión con las moléculas de
ADN, en las que predominan las cargas negativas.
Existen cinco clases de histonas, llamadas H1, H2A, H2B, H3 y H4. Las cuatro
últimas llevan el nombre de histonas nucleosómicas porque la molécula de
ADN se enrolla alrededor de ellas para formar los nucleosomas, que
constituyen las unidades básicas del enrollamiento cromatínico. En cada
nucleosoma las histonas se asocian en un octámero compuesto por dos H2A,
dos H2B, dos H3 y dos H4. Esto le dá a la cromatina un aspecto de rosario o
collar de cuentas.
El complejo formado por el nucleosoma más la histona H1 recibe el nombre de
cromatosoma y el segmento de ADN que se le asocia es de 166 pares de
nucleótidos.
El octámero de histonas forma un cilindro bajo de 10 nm de diámetro llamado
“core o médula”, y se halla envuelto por un tramo de ADN llamado “ligador”
que recorre el core casi dos veces. El ADN ligador posee 146 pares de
nucleótidos. Las dos vueltas de ADN se fijan al core por medio de la histona
H1. Los nucleosomas se hallan separados por tramos de ADN espaciadores,
que contienen entre 20 y 60 pares de nucleótidos.
Para que pueda ser contenida en el núcleo celular, la cromatina de cada
cromosoma experimenta sucesivos enrollamientos, cada vez mayores. En
primer lugar, los cromatosomas se enrollan sobre si mismos y dan lugar a una
estructura helicoidal llamada solenoide, de 30 nm de diámetro. Cada vuelta del
solenoide contiene seis nucleosomas y las histonas H1 de éstos se unen entre
sí. La cromatina se compacta aún más hasta constituir lo que se denomina
supersolenoide.
Fig: modelo de empaquetamiento de la cromatina. La imagen c corresponde al solenoide. La
imagen e corresponde al supersolenoide.
A nivel de químico – molecular
El cromosoma está constituido por ADN (15 a 20 %), ARN (10 a 15 %) y
proteínas (65 a 75 %). Dentro de estas proteínas tenemos de dos tipos:
a) Histonas o básicas
b) No histónicas
Otros componentes minoritarios son: lípidos, iones y enzimas.
El ADN se encuentra asociado principalmente a proteínas básicas como las
histonas y protaminas; éstas últimas se encuentran sólo en espermatozoides
de peces. Sin embargo las más abundantes son las histonas, siendo la relación
ADN : histonas de 1 : 1. Su contenido en la célula es constante, tienen bajo
peso molecular y son básicas por contener 10 a 20 % de aminoácidos básicos
(arginina y lisina), no tienen triptofano y se unen al ADN aumentando el
plegamiento y la condensación del mismo.
Las histonas son de cinco tipos: H1, H2A, H2B, H3 y H4. La H1 es constante
en las diferentes especies y hasta en diferentes tejidos, mientras que las otras
son constantes en las diferentes especies. La H1 reprime la actividad del ADN
impidiendo la transcripción y replicación.
Las proteínas cromosómicas no histónicas son proteínas diferentes de las
histonas que se extraen de la cromatina de los núcleos con ClNa 0.35M
(solución salina), tienen un alto contenido en aminoácidos básicos (25% o
más), alto contenido en aminoácidos ácidos (20-30%), una elevada proporción
de prolina (7%), bajo contenido en aminoácidos hidrofóbicos y una alta
movilidad electroforética. Estas PNH formarían un armazón al cual se adheriría
el solenoide y a su vez este armazón se enrollaría en forma de espiral.
Las proteínas no histónicas se unen al ADN pero no disminuyen su capacidad
de replicar ni transmitir la información genética. Entre estas encontramos:
a) proteínas ácidas: conocidas como HMG (high movility group)
constituyen hasta un 5% de las proteínas nucleares. Algunas se asocian
al nucleosoma y otras al ADN espaciador actuando como factores de
transcripción.
b) proteinas básicas: por ej protaminas que compactan el ADN en
espermatozoides. Tienen alto % de alanina, arginina y serina.
Entre las enzimas encontramos ADN polimerasa y ARN polimerasa.
COMPLEMENTO CROMOSOMICO
Es el conjunto de cromosomas que componen el núcleo celular de un
organismo dado.
El complemento cromosómico más simple es el GENOMA o GENOMIO; el cual
está formado por un cromosoma de cada clase en el núcleo. Para su
representación se usa una X.
Desde el punto de vista del ADN definimos genoma como: cantidad de ADN
que es portador de un conjunto completo de instrucciones genéticas para un
organismo.
De acuerdo a lo anterior podemos decir ahora que un núcleo puede tener uno o
varios genomas:
Núcleo haploide tiene 1 genoma
Núcleo diploide tiene 2 genomas
Complejo haploide: formado por un solo cromosoma homólogo de cada par. Se
lo representa con n que determina el nº haploide o gamético de una especie.
Complejo diploide: formado por pares de cromosomas homólogos o bien por un
complejo haploide paterno y otro materno. Se representa con 2n que determina
el nº somático o diploide de una especie.
La mayoría de los organismos tienen un complejo diploide constituido por la
fusión de los cromosomas de las gametas maternas y paternas (n ♀ + n ♂ =
2n).
En plantas y animales superiores la diploidia se mantiene por la división
mitótica o ecuacional. Al crecer y madurar, el individuo está en condiciones de
formar gametas, a través de la división meiótica, que es reduccional, ya que
reduce el número de cromosomas 2n a la mitad (n), por lo tanto cada gameta
tiene un genoma. Al unirse las gametas en la fecundación se reconstituye la
condición diploide en el cigoto.
MITOSIS
Anafase : 1 cromátida a un polo, y 1 cromátida al otro
polo. Luego cada célula madura.
En la meiosis las células resultantes son diferentes genéticamente entre sí y
con la célula que les dió origen debido al entrecruzamiento o croosing-over que
se produce en la etapa de Paquinema en la Profase I, y la migración al azar de
los cromosomas en Anafase I; estos dos acontecimientos generan variabilidad
genética.
Cromosomas homólogos
Son los que poseen los mismos locus o lugares donde se ubican los genes, es
decir contienen la misma información genética para los mismos caracteres.
La homología de los cromosomas asegura su apareamiento durante la profase
de la división I de meiosis.
Las gametas tienen un juego haploide de cromosomas, y cuando se fusionan
las gametas ♂ y ♀ reestablecen la condición diploide. Así es que uno de los
cromosomas del par homólogo proviene del padre y otro de la madre del
individuo.
Organismos diploides
Son los que tienen en sus células somáticas 2 genomios y en las células
sexuales 1 genomio. Los organismos de reproducción sexual tienen alternancia
de 2 números cromosómicos:
Fase gametofítica--------- n nº de cromosomas------ nº gamético haploide
Fase esporofítica----------2n nº de cromosomas------nº somático diploide
Ej:
maiz
Arveja
fase esporofítica
2n= 20
2n= 14
fase gametofítica
n= 10
n= 7
Organismos poliploides
Son aquellos cuya dotación cromosómica está compuesta por más de 2
genomas. Esto ocurre en vegetales donde hay géneros con distintas especies
que varían en grado de ploidía.
Número básico o común
Cuando varias especies de un mismo género son poliploides y forman una
serie donde los distintos números son múltiplos de un menor nº haploide, este
nº constituye el número básico de la serie y se representa con x. Por lo tanto x
representa el nº de cromosomas distintos y no homólogos en el complemento a
expensas del cual se origina una sp. poliploide durante la duplicación
cromosómica. Los distintos cromosomas no homólogos que se presentan en un
poliploide se conocen como set básico de cromosomas
Ej:
Especie
Triticum
monococum
T. dicoccum
T. durum
T. vulgare
Nicotiana
glauca
N. sylvestri
N. tabacum
Nº
Nº haploide Nº básico
diploide o o gamético
somático
Grado
ploidía
de Nº x
14
28
28
42
7
14
14
21
7
7
7
7
Diploide
Tetraploide
Tetraplide
hexaploide
24
24
48
12
12
14
12
12
12
Diploide
2x
Diploide
2x
Tertraploide 4x
2x
4x
4x
6x
Estudios del núcleo vegetal
Cariograma: ordenamiento del complemento cromosómico de una sola célula
de una sp. por el tamaño, nº y forma de los cromosomas. Se trabaja con fotos
de metafase mitótica. Se utiliza el índice centromérico.
Cariotipo: estudio del complemento cromosómico típico de la especie respecto
a nº, forma y tamaño de los cromosomas. Se los obtiene de comparar varios
cariogramas.