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.
