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Aprendizajes:

El alumno:

Describe las características estructurales del DNA y su organización en genes y cromosomas.

Compara las características generales del genoma procariota y eucariota.

• DNA, genes y cromosomas.

Al observar el mundo vivo que nos rodea, resulta muy notorio que existen grados de similitud y de diferencia entre los organismos que nos rodean: intuitivamente podemos diferenciar plantas de animales; también podemos diferenciar entre canes y caballos; e incluso podríamos diferenciar una raza de perros de otra, así como podríamos diferenciar a nuestro perro French Poodle de cualquier otro perro de esa misma raza. Esta misma gradación de similitud y diferencia nos permite reconocer los rostros y contextura de las personas en nuestra vida cotidiana, y nos permite apreciar que existe una variedad prácticamente infinita en cada especie.

Pero las características específicas de cada individuo se fijan en el momento de la concepción, esto gracias a una especie de diálogo entre las distintas versiones de cada gen (alelos); por ejemplo, al cruzar rosales de distinto color de flor, flor roja con flor blanca, los alelos establecerán un orden de dominancia para decidir el color real de la flor del futuro rosal. Así, sabemos que los genes que determinan las características en cada especie se transmiten de una generación a la siguiente bajo ciertos principios cognoscibles; asimismo, sabemos que las distintas versiones de cada gen se expresan llegado el momento, aunque también sabemos que pueden llegar a dejar de expresarse (tal es el caso del color de pelo oscuro, que puede llegar a inhibirse, dando origen a las canas).

Del mismo modo sabemos que todo organismo cambia conforme transcurre la senescencia (envejecimiento): piensa cuántas versiones tuyas habrá a lo largo de tu vida; algunas ya las conoces: quizá conserves alguna imagen de ultrasonido de cuando aún estabas en el seno materno, otra de recién nacido, a los 3 meses, a los 6 meses, en tu primer cumpleaños… cuando saliste de secundaria, en tu primer año en el bachillerato y una selfie de hoy… y a futuro, ¿cómo serás en 5, 10…50 años? Desde luego que el ambiente, la alimentación, el estilo de vida y otros factores influyen en el resultado final, pero lo más importante es una especie de sinfonía genética, de genes que se activan e inactivan, que llegan a un crescendo, se mantienen allí y luego decaen hasta dejar de manifestarse. Y todo esto lo hacen tomando control de la actividad celular, de la fábrica de compuestos químicos de las células, los tejidos, órganos, aparatos y sistemas. Los genes toman control del metabolismo del individuo a través de moléculas cuya síntesis ellos determinan.

Algunos de esos contenidos los abordaremos en este tema, y para ello realizaremos un acercamiento graduado de menor a mayor tamaño, que no obligatoriamente coincide con la secuencia de los descubrimientos de los investigadores.

DNA.

Podemos asumir que el surgimiento de la rama de la química que estudia a los organismos, llamada química orgánica surgió en 1828, cuando Wohler logró sintetizar la urea (compuesto nitrogenado que se encuentra en la orina de muchos animales) y que esta rama se enriqueció rápidamente. En 1842, von Nageli observó los cromosomas, y posteriormente, en 1882, Walter Flemming nombró a los cromosomas (etimológicamente, cuerpos de color), los cuáles fueron rápidamente identificados como los posibles agentes que transmitían los “caracteres” propuestos por Gregor Mendel para determinar la herencia. Pero gracias a los estudios de química orgánica, se supo que la estructura de los cromosomas era a base de proteínas y DNA. Así surgió la duda de, si eran los cromosomas los responsables de la transmisión hereditaria, qué molécula era la encargada de dicha transmisión: ¿las proteínas o el DNA? Veamos los argumentos que se aducían en la época.

Las proteínas están constituidas por 20 diferentes aminoácidos, por lo que la información, podría estar cifrada en un “alfabeto” de 20 letras. Por su parte, el DNA se constituye de 4 nucleótidos distintos, originando así un “alfabeto” de solo 4 letras. En su tiempo, la mayoría de los investigadores se decantaban por el “lenguaje” proteico, ya que supuestamente daba muchas más opciones de ´codificación de la información. Pero gracias a trabajos independientes de Avery, MacLeod y McCarty, por una parte, y de Hershey y Chase por otra, se descubrió que la sustancia responsable de la transmisión genética es el DNA.

Los ácidos nucleicos presentes en todas las células son dos: el ácido desoxirribonucleico (DNA) que se localiza en el núcleo, las mitocondrias y los cloroplastos y el ácido ribonucleico (RNA) que se encuentra en el nucléolo, el citoplasma y los ribosomas. Químicamente son largas cadenas de nucleótidos, en donde cada nucleótido está constituido por un grupo fosfato, un azúcar de cinco carbonos (pentosa) y una base nitrogenada. En el caso del DNA el azúcar presente es la desoxirribosa mientras que las bases nitrogenadas pueden ser de dos tipos: pirimídicas como la citosina (C) y la timina (T), y púricas como la adenina (A) y la guanina (G) (ver figura 1)

Figura 1. Representa la estructura general de los nucleótidos del DNA, con un fosfato, un azúcar desoxirribosa y una de cuatro posibles bases nitrogenadas: Citosina (C), Timina (T), Adenina (A) y Guanina (G).

La estructura de una molécula de ácido nucleico está formada por la secuencia repetida del grupo fosfato y del azúcar, acompañado de su correspondiente base nitrogenada, y es la misma en todas las moléculas. Lo que distingue a dos moléculas de DNA es la secuencia específica de las bases nitrogenadas (ver figura 2).

Figura 2. Cadena simple de tres nucleótidos de DNA. Las bases son: A, G, A. Nótese que la unión fosfato – desoxirribosa van construyendo una armazón, lo que deja libres a las bases nitrogenadas.

Pero el DNA forma cadenas dobles, no sencillas. La cadena complementaria se constituye por una afinidad química entre Adenina – Timina y entre Guanina – Citosina (ver figura 3). De este modo, se pueden formar largas cadenas de DNA de varias Kilobases (Kb) (una Kilobase equivale a 1000 pares de bases nitrogenadas). La estructura 3D de los nucleótidos y el ángulo de enlace azúcar – fosfato genera una torsión de la molécula, por lo que el DNA forma una doble alfa – hélice en la que cada 10 pares de bases se genera un rizo.

Figura 3. Cadena doble de DNA. Nótese que son cadenas antiparalelas por la posición inversa de la desoxirribosa. Además, la duplicidad de la cadena se origina por la posibilidad de que las bases establezcan puentes de hidrógeno: 2 puentes entre A – T y 3 entre G – C.

Los grupos fosfato y las unidades de azúcar de los nucleótidos se alternan entre sí para formar dos largas cadenas que se enrollan entre sí formando la doble columna de la molécula de DNA que se conoce como doble hélice (ver figura 4). Las dos cadenas de nucleótidos de la hélice se unen entre sí a través del eje mediante el apareamiento de las bases nitrogenadas. El apareamiento de las bases nitrogenadas sigue una regla muy simple: la adenina (A) siempre se aparea con la timina (T) y la guanina (G) con la citosina (C). Así la timina de una cadena, sólo se unirá a un nucleótido de adenina de la otra cadena que está formada también de unidades de azúcar y grupo fosfato. Se podría comparar al DNA con una larga escalera de forma espiral, los soportes o pasamanos de la escalera son las dos cadenas de azúcar y fosfato. Los peldaños de esta escalera están formados por los pares de bases nitrogenadas adenina − timina y guanina − citosina. Los soportes de la escalera se sitúan en el exterior de la hélice, con los grupos fosfato cargados negativamente hacia fuera, mientras que las bases nitrogenadas quedan en el interior de la hélice.

Figura 4. Estructura de la doble hélice del DNA.

Genes

El término gene fue acuñado por William Bateson en 1905 y se refiere a la “unidad de almacenamiento y transmisión de información de la herencia de las especies”. Químicamente, los genes están constituidos por DNA y son largas cadenas de pares de bases nitrogenadas, aunque no siempre son continuas, ya que con frecuencia se encuentran fragmentos de un gen separadas por secuencias ajenas de pares de bases nitrogenadas.

Los organismos diploides (que tienen dos juegos de cromosomas), reciben de cada uno de sus padres un gen para una determinada característica, pero pueden ser idénticas o disímiles, siendo una de esas formas de herencia materna y la otra de herencia paterna. En sus estudios pioneros, Gregor Mendel llegó a la conclusión de que, si ambas formas del gen son idénticas, la característica codificada se manifestará, mientras que, si son disímiles, por lo general se establece un orden de dominancia donde uno de los genes (el dominante), se manifestará a pesar de la presencia del otro (recesivo), que se mantendrá enmascarado. Estudios posteriores arrojaron luz sobre otras maneras de “diálogo” entre genes, encontrando casos en que el resultado es una mezcla homogénea de ambas características o incluso de una mezcla heterogénea (figura 5). Por otra parte, también sabemos que puede existir más de un par de características distintas para un solo gen (figura 6).

Figura 5. En la cruza entre flores dragón rojas con blancas, el resultado no favorece a un color u otro (no hay dominante), por lo que el resultado es una mezcla homogénea, rosa.

Figura 6. Un caso de más de un par de alelos, o alelos múltiples, está dado por el gen que determina el color de los ojos de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster.

Como ya comentamos, los genes toman el control del metabolismo de los organismos, lo cual logran a través de la síntesis de proteínas: puesto que el metabolismo es la suma de reacciones bioquímicas de un organismo, dichas reacciones están catalizadas por enzimas, sustancias primordialmente proteicas. De hecho, a principios del siglo XX el médico inglés Sir Archibald Garrod propuso la hipótesis de Un Gen – Una enzima, la cual fue confirmada 1941 por Beadle y Tatum. Así, podemos decir que casi todas las características de un organismo están determinadas por los genes. Decimos casi todas, porque el ambiente, la alimentación y el estilo de vida también contribuyen, modificando los rasgos genéticos.

Ten en cuenta todos los cambios que se presentan durante el desarrollo embrionario, desde la fecundación al nacimiento, del nacimiento a la pubertad, la explosión de cambios que caracterizan la adolescencia y los cambios ulteriores que conlleva la senescencia. Todo ello está determinado por los genes, desde constituir un cuerpo humano, o el cuerpo del organismo en cuestión hasta su funcionamiento en el ambiente y los cambios que conlleva el envejecimiento. Y todo ello es heredado y heredable.

Para concluir esta sección, mencionaremos que en 1990 se inició el Proyecto HUGO (por sus siglas en inglés: Human Genomic Organisation), cuyo objetivo era determinar la secuencia de los pares de nucleótidos del DNA humano, e identificar y mapear todos los genes del genoma humano, tanto desde el punto de vista físico como funcional. Este proyecto se dio por terminado el 14 de abril de 2003, y significa el mayor esfuerzo conjunto de la humanidad por el logro de conocimiento. Resultante de ello, ahora sabemos, entre muchas otras cosas, que el tamaño promedio de los genes humanos es de 20-30 kb (aunque los hay de más de 100 kb) y que el genoma humano consta de entre 20 000 y 25 000 genes

Cromosomas

Como ya se comentó, fue en la segunda mitad del siglo XIX cuando se realizaron las primeras observaciones citológicas de los cromosomas, aunque no fue sino hasta 1902 que de manera independiente, el estadounidense Walter Sutton y el alemán Theodor Boveri propusieron la relación entre cromosomas y factores hereditarios, dando origen a la Teoría Cromosómica de la Herencia; aunque fue Thomas Hunt Morgan quien, gracias a sus trabajos con la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, demostró dicha relación (figura 7).

La Teoría Cromosómica de la Herencia propone que los genes se ubican en lugares específicos de los cromosomas llamados locus (loci en plural), y que el comportamiento de los cromosomas durante la división meiótica explica la herencia mendeliana.

La demostración de Morgan de la Teoría Cromosómica se basó en el descubrimiento casual de mutantes de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, que presentaban ojos blancos (el alelo silvestre es de ojos rojos); su investigación de la herencia de este alelo fue la clave para demostrar que el gen del color de los ojos en este insecto se ubica en el cromosoma sexual X (las hembras son XX y los machos XY).

Figura 7. Thomas Hunt Morgan, Drosophila melanogaster y sus gigantescos cromosomas politénicos.

Estructuralmente, los cromosomas son pequeños cuerpos que se pueden observar en las células eucariotas durante el proceso de división celular, ya sea mitosis o meiosis. Su número puede variar dependiendo de la especie; como ejemplo anotaremos el número diploide de algunos organismos: la planta con flores del género Brachyscome tiene dos cromosomas; la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, tiene 8; el maíz, Zea mays, tiene 20; el chimpancé, Pan troglodytes, tiene 48 cromosomas, al igual que el gorila, Gorilla gorilla; la mariposa Agrodieatus shahrami, tiene 268, y el ciliado Oxytricha trifallax tiene 1900 cromosomas (figura 8).

Figura 8. Imagen al microscopio del ciliado Oxytricha trifallax, quien tiene 1900 cromosomas.

Como habrás notado, todos tienen un número par, debido a que la mitad de ellos son de herencia materna y la otra mitad de herencia paterna. Desde luego, se entiende que las células sexuales tienen la mitad del número de cromosomas (número haploide, o n), por lo que, al realizarse la fecundación, los núcleos de ambos gametos se fusionan y se restablece el número diploide (2n).

Ciertamente, durante la división celular, los cromosomas se condensan a partir de la cromatina, constituida por proteínas y DNA, para constituir este organoide que tiene una estructura particular durante la metafase, cuando aparecen como estructuras dobles ahusadas o filamentosas llamadas cromátidas, que frecuentemente tienen una o más constricciones llamados centrómeros, así como una especie de satélites en las partes distales de las cromátidas, llamados telómeros (figura 9). Durante la anafase los cromosomas se dividen longitudinalmente en dos cromátidas hermanas, por lo que quedan como cromosomas sencillos, que son las unidades de herencia (ver figura 10). Concluida la división celular, los cromosomas se desenrollan, generando cromatina que permite fácilmente la expresión genética a manera de síntesis proteica.

Figura 9. Estructura del cromosoma metafásico con sus dos cromátidas hermanas, centrómero y telómeros.

Figura 10. Comparación entre los cromosomas metafásicos (a), que aparecen dobles, y los cromosomas anafásicos (b), donde ya se han dividido y aparecen sencillos.

Como puedes ver a partir de la figura 8, terminada la división celular los cromosomas quedan sencillos, es decir, entre todos llevan un juego genético completo que permitirá el control completo de la célula, y entre todas las células, el control del individuo. Pero al inicio de la siguiente división celular el DNA se replica; es decir, hace una copia de sí mismo, de modo que las células hijas que se generen de dicha división, reciban su dotación de cromosomas natural de la especie.

Otro aspecto sobresaliente de los cromosomas es su condensación. Toma en cuenta que una sola célula de nuestro cuerpo tiene unos 2 metros de DNA, por lo que empacarlo en 46 paquetes (cromosomas), es una tarea considerable teniendo en cuenta además que, para lograrlo, se deben incorporar diversas proteínas para evitar que se enrede en nudos. Este superenrollamiento del DNA en cromosomas se puede ver en la figura 11.

Figura 11. Se muestra la manera como el DNA se enrolla merced a la participación de proteínas histonas para constituir al cromosoma.

El enrollamiento se realiza sobre un paquete de proteínas llamadas histonas, de las cuáles existen 5 tipos: H1, H2A, H2B, H3 y H4. Excepto H1, las otras cuatro forman un núcleo de 2 juegos de cada una, alrededor de las cuáles el DNA da dos vueltas y la histona H1 entra como un seguro para evitar su desenrollamiento, y enviando la hebra de DNA al siguiente complejo de 8 histonas, en el siguiente nucleosoma, el DNA se enrollará en sentido inverso para evitar la tensión de girar siempre en el mismo sentido. La figura 12 representa el superenrollamiento desde el DNA, el nucleosoma, la fibra de 30 nanómetros, más enrollamientos y finalmente el cromosoma.

Figura 12. Representa el superenrollamiento del DNA por orden de magnitud: en la extrema derecha ubicamos al DNA; al final el cromosoma, y como estados intermedios, el nucleosoma, la fibra de 30 nanómetros constituido por varios nucleosomas, más enrollamiento y al final un fragmento del cromosoma.

Es importante mencionar que el grado de superenrollamiento del cromosoma no permite la manifestación genética; es decir, en tal estado el DNA es inactivo y para activarse y permitir la síntesis proteica, debe desenrollarse, por lo menos a nivel del gen en cuestión. Puesto que la estructura DNA – proteínas del enrollamiento recibe el nombre de cromatina, en la célula activa, la cromatina codificante de proteínas recibe el nombre de Eucromatina, mientras que la no codificante se llama Heterocromatina.

Finalizaremos este apartado con la figura 13, que representa el genotipo humano: los 46 cromosomas de nuestra especie, en este caso un varón, con los cromosomas X e Y. Un genotipo humano femenino tendría los 44 autosomas + XX. El par de cromosomas sexuales, puesto que pueden ser XY o XX, se llaman heterocromosomas.

Figura 13. Representa un cariotipo humano teñido, con los 44 autosomas sumado al par de heterocromosomas (par de cromosomas que determinan el sexo del individuo), en este caso XY, que determina sexo masculino. Un genotipo femenino presentaría un par sexual XX.

• El genoma de las células procariotas y eucariotas.

Es bien sabido el hecho de que los tipos celulares básicos se diferencian por la presencia o ausencia de núcleo. Las células que carecen de este organelo se denominan procariontes (pro = antes, carion = núcleo); mientras que las que lo poseen son llamadas eucariontes (eu = verdadero, carion = núcleo). Desde luego, estos tipos celulares presentan muchas diferencias adicionales, siendo algunas de las más importantes la presencia o ausencia de membranas internas, el tamaño promedio de las células, así como el tipo de reproducción y de nutrición. En las células eucariontes, el núcleo encierra al material genético y, durante la reproducción celular, éste se condensa para formar a los cromosomas, mientras que en las células procariontes el material genético no se encuentra contenido en una estructura que lo aísle, por lo que está localizado en ciertas regiones del citoplasma y generalmente no se condensa en cromosomas típicos durante la reproducción. A continuación, estudiaremos la estructura de cada tipo cromosómico.

Cromosomas en células procariotas.

Aunque el material genético de las células procariontes no está rodeado por una membrana nuclear, ciertas técnicas especiales permiten observar una zona citoplásmica especialmente rica en DNA, llamada región nuclear o nucleoide. La longitud total del DNA bacteriano extendido es de alrededor de 1 mm; es decir, alrededor de 500 veces más grande que el diámetro promedio de una célula bacteriana (2 milimicras [milimicra = milésima de una micra, micra = milésima parte de un milímetro]). En consecuencia, el DNA bacteriano debe estar minuciosamente plegado y densamente empaquetado. Esto se dificulta, entre otras cosas, por las repulsiones electrostáticas entre los grupos fosfato del DNA, cargados negativamente (cargas del mismo signo se repelen), por lo que primero se tienen que neutralizar las fuerzas de repulsión. La neutralización de las cargas se logra mediante la formación de complejos con poliaminas (espermina, espermidina) y otras proteínas, que juegan un papel similar al de las histonas en las células eucariontes, así como cationes mono y bivalentes.

El cromosoma bacteriano aislado (figura 2.1.1), consiste de una gran molécula única de DNA circular. Está superenrollado en las regiones centrales de la célula, con bucles de transcripción (zonas específicas del DNA que se abren para dirigir la síntesis de RNAm), que se extienden hacia el citoplasma. La molécula está plegada estrechamente, junto con otras moléculas electropositivas, y cantidades considerables de RNA y de enzima RNApolimerasa. Durante su replicación, la molécula de DNA bacteriano está unida a la membrana plasmática de la bacteria.

Figura 2.1.1 a) Micrografía electrónica de un cromosoma de Escherichia coli que compara el tamaño de la célula con su cromosoma circular y que muestra los múltiples bucles de replicación. b) . Micrografía electrónica de un plásmido bacteriano.

Además del cromosoma, las bacterias pueden tener una o varias moléculas adicionales de DNA llamadas plásmidos (ver figura 2.1.1 b). Los plásmidos son moléculas circulares de DNA que se replican comúnmente dentro de las bacterias. Los plásmidos tienen un tamaño variable que va de unas cuantas hasta 15 kilobases y contienen un código de replicación (para multiplicarse dentro de la célula que le hospeda), así como uno o más marcadores de selección (los científicos llaman marcador de selección a cualquier gen que le confiere a la bacteria la resistencia a algún antibiótico). La presencia de este material genético adicional ha resultado de gran ventaja evolutiva para las bacterias, incluso ante la guerra con antibióticos que el hombre ha emprendido contra ellas, guerra que parecen estar ganando, pues muchas resisten ya a la penicilina y a una gran diversidad de antibióticos.

Cromosomas de células eucariotas.

Los cromosomas eucariotas consisten en alrededor de un tercio de DNA y dos terceras partes de proteínas, constituyendo juntos a la cromatina. La parte proteínica del cromosoma consiste de proteínas ligeramente alcalinas llamadas histonas (que ayudan a neutralizar la acidez del DNA y sus cargas eléctricas para poder enrollarlo) y otras proteínas adicionales llamadas generalmente no histonas. En general, se presentan cinco tipos de histonas denominadas H1, H2A, H2B, H3 y H4. Existen evidencias de que estas proteínas juegan un papel importante tanto en la replicación como en el empaquetamiento del DNA (figura 2.1.2).

Figura 2.1.2 Esquema que muestra el superenrollamiento del DNA.

La figura representa el empaquetamiento del DNA en un cromosoma condensado. El nucleosoma en el recuadro es la unidad de empaquetamiento fundamental. Cada nucleosoma se forma de un tramo de DNA de unos 200 pares de nucleótidos y un octámero de histonas: 2 ejemplares de cada una: H2A, H2B, H3 y H4. Las proteínas forman una estructura central, alrededor de la cuál se enrollan unos 140 pares de bases nitrogenadas de DNA, formando una especie de espiral. La histona H1 cierra de manera efectiva con dos vueltas de DNA sobre el octámero central proteico. El resto de DNA conecta a los nucleosomas en forma de una cadena flexible y articulada que se enrollan nuevamente, formando el brazo (cromátida) del cromosoma condensado (figura 2.1.2)

El núcleo en interfase (cuando la célula no está en división), presenta una apariencia granular y los cromosomas no son visibles como tales, dado que se encuentran en forma de filamentos muy largos, los cuáles únicamente se aprecian como una masa difusa de cromatina. La cromatina puede teñirse intensamente, por lo que se le denomina heterocromatina o puede encontrarse más difusa, por lo que se le denomina eucromatina. Cuando se presenta en forma de heterocromatina, generalmente es inerte; es decir, los genes que almacena no están activados y en caso de presentarse la replicación, este DNA es el último en replicarse. La eucromatina, por su parte almacena DNA activo con genes funcionales y se replica al inicio del proceso debido posiblemente a que su empaquetamiento es menos apretado.

Los cromosomas como unidades solo son visibles durante la división celular, siendo la metafase el momento de máxima condensación de la cromatina (figura 2.1.3) Como la organización de la fibra de cromatina parece estar basada en un enrollamiento sucesivo, se piensa que los cromosomas metafásicos son resultado de un superenrrollamiento de la cromatina. Cada cromosoma presenta un centrómero que sirve para unirse a las proteínas que forman el huso acromático y que durante la mitosis o meiosis participan en la distribución de los cromosomas hijos en las células resultantes.

Figura 2.1.3 Los cromosomas metafásicos, tal como pueden observarse en el esquema y en la micrografía, aparecen dobles y con su anatomía explicada en el texto.

En los organismos pluricelulares prácticamente no existen células que den uso al 100% de la información que poseen para realizar la síntesis proteica. Debido a que cada tipo celular realiza ciertas funciones, emplea únicamente los genes necesarios para realizar eficientemente su función, sintetizando ciertas proteínas; el DNA que en estas células no se traduce en proteínas es llamado silencioso o heterocromatina. El DNA silencioso de una célula, frecuentemente es el que se expresa en otras (eucromatina), que requieren de esas proteínas para cubrir su función. Por ejemplo, las células de los islotes de Langerhans que fabrican insulina tienen en uso la información genética para la síntesis proteica de dicha hormona, mientras que para las células nerviosas la información del DNA que codifica para la hormona en cuestión se mantiene silenciosa.