Estructura molecular de Genes y Cromosomas, Guías, Proyectos, Investigaciones de Biología

¡Descarga Estructura molecular de Genes y Cromosomas y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Biología solo en Docsity! UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZÁN FACULTAD DE MEDICINA E.A.P MEDICINA HUMANA DOCENTE: BLGA.HUAYTA ARAPA, Nilda CURSO: Biología celular y molecular INTEGRANTES: • ESTEBAN ESQUIVEL, Jhon • GALLO OLAZO, Denis • GONZALES ORDOÑEZ, Carlos • GONZALEZ ACEVEDO, David • HUAMAN SANTILLAN, Abel Abner • HUAYANAY ROMERO, Kevin Silver • JACHA CELESTINO, Miluska Maiza • JARA PARIONA, yennisa HUÁNUCO-PERÚ ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 1 ESTRUCT URA MOLECU LAR DE 2017 ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 2 HISTONAS................................................................................................................................. 45 26. Definición:......................................................................................................... 45 27. Las histonas son de dos tipos:.......................................................................45 28. nucleosomas.....................................................................................................46 CARIOTIPO................................................................................................................................48 29. etimología:........................................................................................................ 48 30. definición:......................................................................................................... 48 31. cariograma:.......................................................................................................48 32. preparación de un cariotipo:...........................................................................48 33. clasificación:.....................................................................................................49 34. tipos de cariotipo:............................................................................................ 50 35. alteraciones del cariotipo:...............................................................................51 36. aplicaciones clínicas del cariotipo:................................................................ 53 PATOLOGIA...............................................................................................................................54 37. sindrome de down............................................................................................54 38. sindrome de turner...........................................................................................55 39. sindrome de super hombre............................................................................. 56 9.4. ictiosis arlequin………………………………………………………………………………………… …………..57 ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 5 1. HISTORIA DE LA GENETICA Las primeras teorías sobre la herencia fueron expuestas por Hipócrates (460-377 a.C.), para el cual existía una especie de semillas repartidas por todo el cuerpo y que se transmitían a los hijos en el momento de la concepción, por lo que éstos se parecían a sus padres. Un siglo después, Aristóteles rechazó estas teorías y propuso otras que permanecieron durante mucho tiempo vigentes. Según él, el semen de los machos podía contener partículas heredadas de generaciones pasadas; en la fecundación se producía una mezcla del flujo masculino con lo que él llamó el semen femenino (flujo menstrual), y a partir de esa mezcla se formaba la carne y la sangre de los individuos. Durante la primera mitad del siglo XIX, fue cuando se realizaron los primeros estudios de la transmisión de los caracteres biológicos en plantas. Gregor Mendel es considerado el padre de la genética y sus experimentos son el paradigma del análisis genético y su trabajo es considerado fundacional de la ciencia de la Genética. Un diseño experimental sencillo junto con un análisis cuantitativo de sus datos fueron las claves principales de sus resultados. Los experimentos demostraron (1) que la herencia se transmite por elementos particulados (refutando, por tanto, la herencia de las mezclas) y (2) que normas estadísticas sencillas rigen la herencia. EXPERIMENTO DE HIBRIDACIÓN DE GUISANTES. Polinizó manualmente las flores de una línea pura de chícharos redondos con el polen de una línea pura de rugosos. Las semillas de esta primera generación F1 (todas redondas) fueron plantadas y germinadas. Mendel obtuvo ¾ de semillas redondas y ¼ de semillas rugosas en la segunda generación o F2. Posteriormente plantó las semillas de la F2 y dejo que las plantas adultas se autopolinizaran entre sí. Todas las semillas rugosas F2 produjeron semillas rugosas, las redondas F2 produjeron dos tipos: algunas se comportaron igual que la cepa paterna, dando semillas redondas, mientras que otras lo hacían como las plantas F1 produciendo tanto semillas rugosas como lisas. La relación F1 fue entonces 1:2:1, o, ¼ redondas puras, ½ redondas no puras y ¼ rugosas puras. 1.1. LEYES O PRINCIPIOS DE MENDEL • Primera ley o principio de la uniformidad: Cuando se cruzan dos individuos de raza pura, los híbridos resultantes son todos iguales. • Segunda ley o principio de la segregación: Ciertos individuos son capaces de transmitir un carácter, aunque en ellos no se manifieste. • Tercera ley o principio de la combinación independiente: Hace referencia al cruce polihíbrido (monohíbrido: cuando se considera un carácter; polihíbrido: cuando se consideran dos o más caracteres). Mendel trabajó este cruce en guisantes, en los cuales las características que él observaba (color de la semilla y rugosidad de su superficie) se ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 6 encontraban en cromosomas separados. De esta manera, observó que los caracteres se transmitían independientemente unos de otros. Esta ley, sin embargo, deja de cumplirse cuando existe vinculación (dos genes están muy cerca y no se separan en la meiosis). Sin embargo, estos trascendentales descubrimientos permanecieron en el olvido durante 4 décadas, hasta que fueron retomados en 1900 por los botánicos Hugo de Vries, Carl Correns y Eric Von Tschermak; tres años después Walter Sutton descubre la implicación de los cromosomas en la herencia y en 1906 el biólogo británico William Bateson (2) propone el término "Genética" para denominar a la nueva ciencia que nacía. Al final de esa década Thomas Hunt Morgan demuestra que los genes residen en los cromosomas y más adelante, en 1923, se descubre la disposición lineal de los mismos gracias a los mapas genéticos. La década del 30 del siglo pasado comienza con la identificación del entrecruzamiento como la causa de la recombinación génica y en 1941 Edward Lawrie Tatum y George Wells Beadle demuestran que los genes codifican las proteínas. 2. GEN Un gen es una unidad de información en un locus de ácido desoxirribonucleico (ADN) que codifica un producto funcional, o Ácido ribonucleico (ARN) o proteínas y es la unidad de herencia molecular. También se conoce como una secuencia lineal de nucleótidos en la molécula de ADN, o de ARN en el caso de algunos virus y contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, habitualmente proteínas pero también ARN mensajero (ARNm), Ácido ribonucleico ribosómico (ARNr) y ARN de transferencia (ARNt). Los procesos de corte y empalme juegan un papel muy importante para comprender un gen, así como los intrones y exones que son componentes importantes del gen. 2.1. PARTES DEL GEN: • Exones Es la región de un gen que no es separada durante el proceso de corte y empalme y, por tanto, se mantienen en el ARN mensajero maduro. • Intrones Es una región del ADN que forma parte de la transcripción primaria de ARN, pero a diferencia de los exones, son eliminados del transcrito maduro, previamente a su traducción. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 7 • Gen regulador: codifica la proteína reguladora que reconoce la secuencia del operador. Está cerca de los genes estructurales del operón pero no inmediatamente al lado. • Proteína reguladora: proteína codificada por el gen regulador. Se une a la región del operador • Inductor: compuesto cuya presencia induce la expresión de los genes 2.3.2. GENES REGULADORES Los genes reguladores son aquellos genes encargados de controlar la velocidad de síntesis de los productos de uno o de varios genes o rutas biosintéticas. Junto con los genes selectores controlan el desarrollo de los compartimentos 3. CÓDIGO GENÉTICO 3.1. INTRODUCCIÓN Estamos rodeados de todo tipo de códigos, si nos referimos a los seres vivos, también tienen su propio sistema de identificación, el código genético. El código genético es el conjunto de reglas usadas para traducir la secuencia de nucleótidos del ARNm a una secuencia de proteína en el proceso de traducción. Se dilucidó en el año 1961 por Crick, Brenner y colaboradores. 3.2. DEFINICIÓN Llamamos código genético al código que asegura la traducción del mensaje genético para cada célula. Específicamente, la molécula denominada ARN mensajero lleva varias secuencias de bases nitrogenadas. Cada trinomio de bases representa una secuencia que codifica o simboliza un aminoácido, que es la base para la formación de proteínas. Por lo tanto, el código genético permite traducir las informaciones encriptadas en nuestro material genético con el fin de producir las proteínas necesarias para el funcionamiento de nuestro organismo. En cuanto a su funcionamiento, la idea general del código genético parte de una cadena de ADN de tres en tres ácidos nucleicos. Así, por cada tres letras que simbolizan un ácido nucleico cada una de ellas, se tiene un aminoácido. Cada grupo de tres ácidos nucleicos puede tener cualquiera de las cuatro bases nitrogenadas existentes en el núcleo de la célula (adenina, guanina, timina y citosina) y, por lo tanto, existen 64 posibles combinaciones. El codón AUG que codifica la metionina es el codón de inicio y hay tres codones que establecen la señal de terminación de la traducción (UAA, UAG, UGA). Las mutaciones que ocurren en estos codones dan lugar a la síntesis de proteínas anómalas. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 10 3.3. CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO Las características del código genético fueron establecidas experimentalmente por Fancis Crick, Sydney Brenner y colaboradores en 1961. Las principales características del código genético son las siguientes: ✓ CÓDIGO ORGANIZADO EN TRIPLETES O CODONES Cada tres nucleótidos (triplete) determina un aminoácido. Si cada nucleótido determinara un aminoácido, solamente podríamos codificar cuatro aminoácidos diferentes ya que en el ADN solamente hay cuatro nucleótidos distintos. Cifra muy inferior a los 20 aminoácidos distintos que existen. Si cada dos nucleótidos codificarán un aminoácido, el número total de dinucleótidos distintos que podríamos conseguir con los cuatro nucleótidos diferentes (A, G, T y C) serían variaciones con repetición de cuatro elementos tomados de dos en dos VR4, 2 = 42 = 16. Por tanto, tendríamos solamente 16 dinucleótidos diferentes, cifra inferior al número de aminoácidos distintos que existen (20). Si cada grupo de tres nucleótidos determina un aminoácido. Teniendo en cuenta que existen cuatro nucleótidos diferentes (A, G, T y C), el número de grupos de tres nucleótidos distintos que se pueden obtener son variaciones con repetición de cuatro elementos (los cuatro nucleótidos) tomados de tres en tres: VR4,3 = 43 = 64. Por consiguiente, existe un total de 64 tripletes diferentes, cifra más que suficiente para codificar los 20 aminoácidos distintos ✓ El CÓDIGO GENÉTICO ES DEGENERADO ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 11 Como hemos dicho anteriormente existen 64 tripletes distintos y 20 aminoácidos diferentes, de manera que un aminoácido puede venir codificado por más de un codón. Este tipo de código se denomina degenerado. Wittmann (1962) induciendo sustituciones de bases por desaminación con nitritos, realizó sustituciones de C por U y de A por G en el ARN del virus del mosaico del tabaco (TMV), demostrando que la serina y la isoleucina estaban determinadas por más de un triplete. Las moléculas encargadas de transportar los aminoácidos hasta el ribosoma y de reconocer los codones del ARN mensajero durante el proceso de traducción son los ARN transferentes (ARN-t). Los ARN-t tienen una estructura en forma de hoja de trébol con varios sitios funcionales: Extremo 3': lugar de unión al aminoácido (contiene siempre la secuencia ACC). Lazo dihidrouracilo (DHU): lugar de unión a la aminoacil ARN-t sintetasa o enzimas encargadas de unir un aminoácido a su correspondiente ARN-t. Lazo de T ψ C: lugar de enlace al ribosoma. Lazo del anticodón: lugar de reconocimiento de los codones del mensajero. Normalmente el ARN-t adopta una estructura de hoja de trébol plegada en forma de L o forma de boomerang. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 12 Diferencias entre un código solapado y uno no solapado Código solapado: restricciones en la secuencia de aminoácidos Otra forma de comprobar que el código es sin superposición es que no hay ninguna restricción en la secuencia de aminoácidos de las proteínas, de manera, que un determinado aminoácido puede ir precedido o seguido de cualquiera de los 20 aminoácidos que existen. Si dos codones sucesivos compartieran dos nucleótidos, cualquier triplete solamente podría ir precedido o seguido por cuatro codones determinados. Por consiguiente, si el código fuera superpuesto, un aminoácido determinado solamente podría ir precedido o seguido de otros cuatro aminoácidos como mucho. ✓ LA LECTURA DEL CÓDIGO GENÉTICO ES "SIN COMAS" Teniendo en cuenta que la lectura se hace de tres en tres bases, a partir de un punto de inicio la lectura se lleva a cabo sin interrupciones o espacios. De manera que si añadimos un nucleótido a la secuencia, a partir de ese punto se altera el cuadro de lectura y se modifican todos los aminoácidos. Lo mismo sucede si se pierde (deleción) un nucleótido de la secuencia. A partir del nucleótido delecionado se altera el cuadro de lectura y cambian todos los aminoácidos. Si la adición o la deleción son de tres nucleótidos o múltiplo de tres, se añade un aminoácido o más de uno a la secuencia que sigue siendo la misma a partir de la última adición o deleción. Una adición y una deleción sucesivas vuelven a restaurar el cuadro de lectura. En la siguiente tabla se da un ejemplo con una frase que contiene solamente palabras de tres letras. A partir de la adición de una letra cambia la pauta de lectura y el significado de la frase, lo mismo sucede cuando se pierde una letra. Una adición y una deleción sucesivas recuperan el significado de la frase. Una adición de tres letras añade una palabra, pero después se recupera la pauta de lectura y el sentido de la frase. ✓ ES UNIVERSAL Todos los organismos vivos (unicelulares procariotas, eucariotas) los multicelulares vegetales y animales poseen en la molécula de ADN una secuencia de 4 letras repetidas a lo largo de la biomolécula del ADN (AT/CG), ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 15 la información biológica radica en las 4 letras (Adenina- Timina- Citosina- Guanina) determinando el código genético del organismo. ✓ ES REDUNDANTE A pesar de la Biodiversidad de los seres vivos todos tienen en común un código genético almacenado en 4 letras repetidas a lo largo de su ADN. 3.4. CODONES Un codón es un triplete de nucleótidos. Porta la información para pasar la secuencia de nucleótidos del ARNm a la secuencia de aminoácidos de la proteína en el proceso de traducción, ya que cada codón codifica un aminoácido. Hay 64 codones diferentes por combinación de los 4 nucleótidos en cada una de las 3 posiciones del triplete, pero sólo 61 codifican aminoácidos. Los 3 restantes son codones de terminación de la traducción, conocidos como codones de parada o codones stop llamados ocre (UAA), ámbar (UAG) y ópalo (UGA). Hay un codón de inicio de la traducción, el AUG, que codifica la metionina. Salvo la metionina y el triptófano que están codificados por un único codón, los aminoácidos pueden estar codificados por 2, 3, 4 ó 6 codones diferentes. Los codones que codifican un mismo aminoácido muchas veces tienen los dos primeros nucleótidos iguales, cambiando sólo el tercero. Así, cambios en el nucleótido de la tercera posición no suponen cambios en el aminoácido (mutaciones silenciosas). De este modo se minimiza el impacto de mutaciones puntuales cuando éstas ocurren en la tercera posición del codón. En cambio, las mutaciones en la primera y segunda posición del codón suelen suponer un cambio de aminoácido (mutaciones `missense`). Normalmente los aminoácidos con las mismas características físico-químicas presentan el mismo nucleótido en la segunda posición del codón. Así los aminoácidos polares presentan adenina mientras que los apolares presentan uracilo. Mutaciones puntuales en la primera posición dan lugar a aminoácidos similares mientras que cambios en la segunda posición del codón, dan lugar a la incorporación de aminoácidos de propiedades muy diferentes. Mutaciones en cualquiera de las tres posiciones del codón pueden dar lugar a la aparición de codones stop provocando una terminación de la traducción. 3.5. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS 3.5.1. INTRODUCCIÓN El ARN mensajero es el que lleva la información para la síntesis de proteínas, es decir, determina el orden en que se unirán los aminoácidos La síntesis de proteínas o traducción tiene lugar en los ribosomas del citoplasma celular. Los aminoácidos son transportados por el ARN de transferencia (ARNt), específico para cada uno de ellos, y son llevados hasta el ARN mensajero (ARNm), dónde se aparean el codón de éste y el anticodón del ARN de transferencia, por complementariedad de bases, y de ésta forma se sitúan en la posición que les corresponde. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 16 Una vez finalizada la síntesis de una proteína, el ARN mensajero queda libre y puede ser leído de nuevo. De hecho, es muy frecuente que antes de que finalice una proteína ya está comenzando otra, con lo cual, una misma molécula de ARN mensajero, está siendo utilizada por varios ribosomas simultáneamente. ✓ TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL ADN El ADN se encuentra en el núcleo celular y la síntesis de proteínas tiene lugar en el citoplasma, en el hialoplasma concretamente. Es por esto que la información contenida en la estructura primaria del ADN debe transcribirse a una molécula de ARN denominada ARN mensajero (ARNm). También se sintetizan en el núcleo el ARNr y el ARNt, necesarios para la síntesis proteica. Los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen la transcripción de la información genética. • MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS: Destaquemos, en primer lugar, que para cada gen, sólo una de las cadenas, de las dos que posee el ADN, se transcribe. El mecanismo se realiza de la siguiente manera: 1. Iniciación: Una ARN-polimerasa comienza la síntesis del precursor del ARN a partir de unas señales de iniciación "secuencias de consenso " que se encuentran en el ADN 2. Alargamiento: La síntesis de la cadena continúa en dirección 5' 3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARN una cabeza (caperuza o líder) de metil-GTP en el extremo 5'. Esta cabeza parece tener una función protectora para que las enzimas exonucleasas que destruyen los ARN no lo ataquen. Una vez que esto ha ocurrido, continúa la síntesis del ARN en dirección 5 ´3´ 3. Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a la región terminadora del gen, finaliza la síntesis del ARN. Entonces, una poliA-polimerasa añade una serie de nucleótidos con ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 17 organismos vivos conocidos y muchos virus. El ADN es el material genético responsable de la herencia y de las características físicas y metabólicas de un organismo. La gran mayoría está en el núcleo donde en el momento de la división celular se empaqueta formando cromosomas. Una pequeña parte del ADN celular se encuentra en las mitocondrias en el citoplasma. El ADN es un ácido nucleico; junto con las proteínas y los hidratos de carbono, ácidos nucleicos componen las tres principales macromoléculas esenciales para todas las formas conocidas de vida. La mayoría de las moléculas de ADN consisten en dos cadenas de biopolímero en espiral alrededor de la otra para formar una doble hélice. La unidad básica del ADN, conocida como nucleótido, está conformada por la unión de una molécula de fosfato (P), un azúcar (desoxirribosa) y una base nitrogenada: Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) y Guanina (G). 4.2. SÍNTESIS PROTEICA La síntesis de una proteína es una de las tareas más importantes de la célula que comienza cuando el gen que codifica esta proteína es expresado mediante el proceso de la transcripción. En la transcripción transmite la información desde el ADN del gen al ARN mensajero (ARNm). Los genes humanos están compuestos de intrones (regiones no codificantes de proteína) que están situados entre los exones (regiones codificantes). En el proceso de maduración del ARNm se van eliminando los intrones y se une cada exón al siguiente para formar un ARNm maduro. No siempre se utilizan todos los exones, sino que muchas veces se deja de utilizar uno o más exones con lo que la proteína que se sintetiza es diferente, aunque provenga del mismo gen. El ARNm maduro ya puede pasar al citoplasma. Una vez en el citoplasma el ARNm se une a la subunidad menor del ribosoma y después a la subunidad mayor para formar un ribosoma completo. El complejo ARNm-ribosoma es la maquinaria de síntesis de proteínas donde se decodifica el mensaje del ARNm mediante el código genético. El código genético establece un sistema para traducir la secuencia de ARN que tiene un alfabeto de 4 letras a una secuencia de proteína que tiene como alfabeto los 20 aminoácidos que forman parte de las proteínas. Cada triplete de nucleótidos codifica un aminoácido. Así las proteínas son una tira de aminoácidos enlazados de forma que en cada posición se escogió uno de los 20 disponibles según la palabra de tres letras (codón) que el ARNm contuviera. En este proceso de hacer que cada triplete determine la incorporación del aminoácido correspondiente son esenciales los llamados ARN de transferencia. Si la proteína está destinada a estar en el citoplasma, en el núcleo o en las mitocondrias la síntesis se realiza en el citoplasma. En cambio, si la proteína está destinada a ser secretada, como en el caso de la insulina, por ejemplo, o a estar en la membrana, como por ejemplo la APP, su síntesis se realiza en la superficie del Retículo Endoplásmico para que la proteína penetre en él a la vez que se sintetiza. Una vez sintetizada o incluso mientras se sintetiza la proteína se pliega adoptando una forma característica que le permite ejercer su función. De esta forma se produce el importante flujo de información biológica desde el ADN al ARN y finalmente a la secuencia de la proteína que al determinar su ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 20 estructura le capacita para una determinada función. Describir la síntesis de proteínas y del DNA dentro de una célula es como describir un círculo: el DNA dirige la síntesis del RNA; el RNA dirige la síntesis de proteínas y, finalmente, una serie de proteínas específicas catalizan la síntesis tanto del DNA como del RNA. El proceso consta de dos etapas: 1. TRANSCRIPCION: Proceso durante el cual la información genética contenida en el DNA es copiada a un RNA de una cadena única llamado RNA-mensajero. La transcripción es catalizada por una enzima llamada RNA-polimerasa. El proceso se inicia separándose una porción de las cadenas de DNA: una de ellas, llamada hebra sentido es utilizada como molde por la RNA- polimerasa para incorporar nucleótidos con bases complementarias dispuestas en la misma secuencia que en la hebra anti-sentido, complementaria de la hebra sentido inicial. La única diferencia consiste en que la timina del DNA inicial es sustituida por uracilo en el RNA mensajero. Así, por ejemplo, una secuencia ATGCAT de la hebra sentido del DNA inicial producirá una secuencia UACGUA. Además de las secuencias de nucleótidos que codifican proteínas, el RNA mensajero copia del DNA inicial unas regiones que no codifican proteínas y que reciben en nombre de intrones. Las partes que codifican proteínas se llaman exones. Por lo tanto, el RNA inicialmente transcrito contiene tantos exones como intrones. Sin embargo, antes de que abandone el núcleo para dirigirse al citoplasma donde se encuentran los ribosomas, este RNA es procesado mediante operaciones de "corte y empalme", eliminándose los intrones y uniéndose entre sí los exones. Este RNA-m maduro es el que emigra al citoplasma. Un único gen puede codificar varias proteínas si el RNA-m inicial puede ser cortado y empalmado de diversas formas. Esto ocurre, por ejemplo, durante la diferenciación celular en donde las operaciones de corte y pegado permiten producir diferentes proteínas. Además de utilizarse como molde para la síntesis del RNA-m, el DNA también permite la obtención de otros dos tipos de RNA: • El RNA de transferencia (t-RNA) que se une específicamente a cada uno de los 20 aminoácidos y los transporte al ribosoma para incorporarlos a la cadena polipeptídica en crecimiento. • El RNA ribosómico (r-RNA) que conjuntamente con las proteínas ribosómicas constituye el ribosoma. 2. TRADUCCION: ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 21 El m-RNA maduro contiene la información para que los aminoácidos que constituyen una proteína en vayan añadiendo según la secuencia correcta. Para ello, cada triplete de nucleótidos consecutivos (codón) especifica un aminoácido. Dado que el m-RNA contiene 4 bases, el número de combinaciones posibles de grupos de 3 es de 64, número más que suficiente para codificar los 20 aminoácidos. De hecho, un aminoácido puede ser codificado por varios codones. La síntesis de proteínas tiene lugar de la manera siguiente: • Iniciación: Un factor de iniciación, GPT y metionil-RNAt[Met] forman un complejo que se une a la subunidad ribosómica grande. A su vez, el m- RNA y la subunidad ribosómica pequeña se unen al encontrar esta última el codón de iniciación que lleva el primero. A continuación, ambas subunidades ribosómicas se unen. El metionil-RNAt[met] está posicionado enfrente del codón de iniciación (AUG). El GPT y los factores de iniciación de desprenden quedando el RNAt[Met] unido al ribosoma. • Elongación: Un segundo aminoacil-RNAt (en el ejemplo Phe- RNat[Phe]) se coloca en la posición A de la subunidad grande del ribosoma. Un complejo activado por GPT se ocupa de formar el enlace peptídico quedando el péptido en crecimiento unido al aminoacil-RNAt entrante. Al mismo tiempo, el primer t-RNA se separa del primer aminoácido y del punto P del ribosoma. El ribosoma se mueva un triplete hacia la derecha, con los que el peptidil-RNAt[Phe] queda unido al punto P que había quedado libre. Un tercer aminoacil-RNAt (en el ejemplo Leu-RNAt[Leu]) se coloca en la posición A y se repite el proceso de formación del enlace peptídico, quedando el péptido en crecimiento unido al Leu-RNAt[Leu] entrante. Se separa el segundo t-RNA del segundo aminoácido y del punto P del ribosoma. • Terminación: el m-RNA que se está traduciendo lleva un codón de terminación (UAG). Cuando el ribosoma llega a este codón, la proteína ensamblada es liberada y el ribosoma se fragmenta en sus subunidades quedando listo para un nuevo proceso. En el proceso que acabamos de describir, el ribosoma se desplazaba a lo largo de una hebra de m-RNA leyendo los tripletes de uno en uno. La síntesis de proteínas progresa a razón de 15 aminoácidos/segundo. Dada la longitud del m-RNA, varios ribosomas pueden ir leyendo codones y sintetizando proteínas. El conjunto se denomina poliribosoma. A partir del anterior proceso se puede definir como gen un conjunto de nucleótidos de una molécula de DNA que sirve como molde para la producción de una proteína o una familia de proteínas si se producen operaciones de corte ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 22 de varios puntos a la vez y progresa en ambas direcciones formando los llamados ojos de replicación. Primero se separan las dos hebras y, una vez separadas, van entrando los nucleótidostrifosfato complementarios de cada uno de los de las hebras originales del ADN. Las enzimas ADN polimerasas los unen entre sí formando una hebra de ADN complementaria de cada una de las hebras del ADN original. Se dice que la síntesis de ADN es semiconservativa porque cada una de las moléculas de ADN "hijas" está formada por una hebra de ADN original y otra complementaria sintetizada de nuevo. Es de destacar que la dirección en la que progresa la replicación es la misma en ambas hebras. Ahora bien, las enzimas que unen los nucleótidos sólo pueden efectuar la unión en dirección 5'→3'. Esto nos indica que ambas hebras, al ser antiparalelas, deben de sintetizarse de diferente manera. a. Síntesis continua de la hebra en dirección 5 '→3'. La síntesis de esta hebra no plantea ningún problema. Así, una vez separadas ambas hebras, el ADN polimerasa III (una de las enzimas que unen los nucleótidos) va a elongar la cadena en dirección 5'→3' a partir de un primer o fragmento de ARN que después será eliminado. b. Síntesis discontinua. La hebra complementaria no se va a replicar en sentido 3'→5' sino que se replica discontinuamente en dirección 5' →3'. Los diferentes fragmentos sintetizados, llamados fragmentos de Okazaki, son posteriormente unidos entre sí. El proceso es complejo y consiste en lo siguiente: En primer lugar, se sintetiza un pequeño fragmento de ARN, fragmento denominado primer. Partiendo de F 0 3 6este primer se sintetiza un fragmento de ADN en dirección 5' 3'. Al llegar al primer del fragmento anteriormente sintetizado, éste es degradado y se rellena el hueco con ADN. Se dice que la replicación es discontinua porque el ADN se va a ir sintetizando en fragmentos que, posteriormente, son soldados uno al otro. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 25 4.3. COMPONENTES DEL ADN El ADN es un largo polímero formado por unidades repetitivas, los nucleótidos. Una doble cadena de ADN mide de 22 a 26 angstroms (2,2 a 2,6 nanómetros) de ancho, y una unidad (un nucleótido) mide 3,3 Å (0,33 nm) de largo. Aunque cada unidad individual que se repite es muy pequeña, los polímeros de ADN pueden ser moléculas enormes que contienen millones de nucleótidos. Por ejemplo, el cromosoma humano más largo, el cromosoma número 1, tiene aproximadamente 220 millones de pares de bases. 4.3.1. COMPONENTES • Estructura de soporte: La estructura de soporte de una hebra de ADN está formada por unidades alternas de grupos fosfato y azúcar. El azúcar en el ADN es una pentosa, concretamente, la desoxirribosa. • Ácido fosfórico: Enlace fosfodiéster. El grupo fosfato (PO4³ˉ) une el carbono 5' del azúcar de un nucleósido con el carbono 3' del siguiente. Su fórmula química es H3PO4. Cada nucleótido puede contener uno (monofosfato: AMP), dos (difosfato: ADP) o tres (trifosfato: ATP) grupos de ácido fosfórico, aunque como monómeros constituyentes de los ácidos nucleicos sólo aparecen en forma de nucleósidos monofosfato. • Desoxirribosa: Es un monosacárido de 5 átomos de carbono (una pentosa) derivado de la ribosa, que forma parte de la estructura de nucleótidos del ADN. Su fórmula es C5H10O4. Una de las principales diferencias entre el ADN y el ARN es el azúcar, pues en el ARN la 2-desoxirribosa del ADN es reemplazada por una pentosa alternativa, la ribosa. Las moléculas de azúcar se unen entre sí a través de grupos fosfato, que forman enlaces fosfodiéster entre los átomos de carbono tercero (3′, «tres prima») y quinto (5′, «cinco prima») de dos anillos adyacentes de azúcar. La formación de enlaces asimétricos implica que cada hebra de ADN tiene una dirección. En una doble hélice, la dirección de los nucleótidos en una hebra (3′ → 5′) es opuesta a la dirección en la otra hebra (5′ → 3′). Esta organización de las hebras de ADN se denomina antiparalela; son cadenas paralelas, pero con direcciones opuestas. De la misma manera, los extremos asimétricos de las hebras de ADN se denominan extremo 5′ («cinco prima») y extremo 3′ («tres prima»), respectivamente. • Bases nitrogenadas: Las cuatro bases nitrogenadas mayoritarias que se encuentran en el ADN son la adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) y la timina (T). Cada una de estas cuatro bases está unida al armazón de azúcar-fosfato a través del azúcar para formar el nucleótido completo (base-azúcar-fosfato). Las bases son compuestos heterocíclicos y aromáticos con dos o más átomos de nitrógeno, y, ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 26 dentro de las bases mayoritarias, se clasifican en dos grupos: las bases púricas o purinas (adenina y guanina), derivadas de la purina y formadas por dos anillos unidos entre sí, y las bases pirimidínicas o bases pirimídicas o pirimidinas (citosina y timina), derivadas de la pirimidina y con un solo anillo. En los ácidos nucleicos existe una quinta base pirimidínica, denominada uracilo (U), que normalmente ocupa el lugar de la timina en el ARN y difiere de ésta en que carece de un grupo metilo en su anillo. El uracilo no se encuentra habitualmente en el ADN, sólo aparece raramente como un producto residual de la degradación de la citosina por procesos de desaminación oxidativa. Las bases de ADN se emparejan entre sí, adenina con timina y citosina con guanina, para formar unidades llamadas pares de bases. Cada base también está unido a una molécula de azúcar y una molécula de fosfato. Los nucleótidos están dispuestos en dos hebras largas que forman una espiral llamado una doble hélice. La estructura de la doble hélice es algo así como una escalera, con los pares de bases que forman peldaños de la escalera y el azúcar y moléculas de fosfato que forman las piezas laterales verticales de la escalera. • Timina: En el código genético se representa con la letra T. Es un derivado pirimidínico con un grupo oxo en las posiciones 2 y 4, y un grupo metil en la posición 5. Forma el nucleósido timidina (siempre desoxitimidina, ya que sólo aparece en el ADN) y el nucleótido timidilato o timidina monofosfato (dTMP). En el ADN, la timina siempre se empareja con la adenina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno, T=A. • Citosina: En el código genético se representa con la letra C. Es un derivado pirimidínico, con un grupo amino en posición 4 y un grupo oxo en posición 2. Forma el nucleósido citidina (desoxicitidina en el ADN) y el nucleótido citidilato o (desoxi)citidina monofosfato (dCMP en el ADN, CMP en el ARN). La citosina siempre se empareja en el ADN con la guanina de la cadena complementaria mediante un triple enlace, C≡G. La citosina se descubrió en 1894, al aislarla del tejido del timo de carnero. • Adenina: En el código genético se representa con la letra A. Es un derivado de la purina con un grupo amino en la posición 6. Forma el nucleósido adenosina (desoxiadenosina en el ADN) y el nucleótido adenilato o (desoxi) adenosina monofosfato (dAMP, AMP). En el ADN siempre se empareja con la timina de la cadena complementaria mediante 2 puentes de hidrógeno, A=T. La adenina, junto con la timina, fue descubierta en 1885 por el médico alemán Albrecht Kossel. • Guanina: En el código genético se representa con la letra G. Es un derivado púrico con un grupo oxo en la posición 6 y un grupo amino en ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 27 Estructura secundaria del ADN Es una estructura en doble hélice. Permite explicar el almacenamiento de la información genética y el mecanismo de duplicación del ADN. Fue postulada por Watson y Crick, basándose en: • La difracción de rayos X que habían realizado Franklin y Wilkins. • La equivalencia de bases de Chargaff, que dice que la suma de adeninas más guaninas es igual a la suma de timinas más citosinas. Es una cadena doble, dextrógira o levógira, según el tipo de ADN. Ambas cadenas son complementarias, pues la adenina de una se une a la timina de la otra, y la guanina de una a la citosina de la otra. Ambas cadenas son antiparalelas, pues el extremo 3´de una se enfrenta al extremo 5´de la otra. Existen tres modelos de ADN. El ADN de tipo B es el más abundante y es el descubierto por Watson y Crick. Estructura terciaria del ADN Se refiere a como se almacena el ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de organismos procariontes o eucariontes: a. En procariontes se pliega como una super-hélice en forma, generalmente, circular y asociada a una pequeña cantidad de proteínas. Lo mismo ocurre en la mitocondria y en los plastos. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 30 b. En eucariontes el empaquetamiento ha de ser más complejo y compacto y para esto necesita la presencia de proteínas, como son las histonas y otras de naturaleza no histona (en los espermatozoides las proteínas son las protaminas). A esta unión de ADN y proteínas se conoce como cromatina, en la cual se distinguen diferentes niveles de organización: • Nucleosoma • Collar de perlas • Fibra cromatínica • Bucles radiales • Cromosoma. Estructura cuaternaria del ADN Superenrollamiento de la molécula con otras moléculas. El ADN se asocia a proteínas: histonas y no histonas para formar la proteína. Hay más de una cadena polipéptida. Su estructura puede o no ser simétrica. 4.5. TIPOS DE ADN Su clasificación varía según los especialistas concentrados en el tema. Generalmente se suele tener en cuenta la estructura y particularidades que contiene cada tipo de ADN, para así determinar la mejor manera de agruparlos. A continuación, se expone una de las clasificaciones más completas: • ADN cromosómico Es el ADN de la célula, en el mismo se almacena la información genética perteneciente de la misma. Su ubicación depende de la célula en cuestión, en el caso de las eucariotas se encuentra dentro del núcleo celular y en las ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 31 procariontes, en el citoplasma asociado a la cara interna de la membrana celular. Se trata de una doble cadena de bases complementarias formada cada una por nucleótido, cada uno de ellos formados por una base de pirmidina o purina, azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato. El genoma humano está constituido por 23 moléculas de ADN con una longitud de entre 50 y 250 millones de bases. • ADN recombinante o recombinado Se trata de una unión de secuencias de ADN producida de manera artificial generalmente de forma in vitro. Estas cadenas provienen de dos organismos de especies diferentes que no tienen ninguna relación. Esta técnica es utilizada para manipular el material genético, lo que permite que sea añadido un nuevo tipo de ADN al organismo, esto genera modificación en los rasgos o la creación de nuevos. Este procedimiento es llevado a cabo con diferentes fines, como por ejemplo para tratar algún tipo de enfermedad o la producción de vacunas. Para esto se busca un organismo que tenga un ADN de interés y luego se propaga el mismo en otro organismo, objeto, etc. Esto es muy utilizado como tratamiento de fertilidad. • ADN mitocondrial Este tipo de ADN se refiere al material genético existente en orgánulos de la célula llamados mitocondrias, los cuales son los encargados de proveer energía a dicha célula. Este ADN se reproduce por sí mismo cuando la célula eucariota se divide. Se cree que evolutivamente este tipo de ADN desciende del genoma de las bacterias, las cuales fueron englobadas en s células eucariotas. Están organizados en forma de “nucloides” y su tamaño varía según diversos factores. Se encuentra en replicación constante, independientemente de la célula que lo aloja, su reproducción no depende de su ciclo ni del tipo de la misma. • ADN fósil Se utiliza en el área de paleontología, generalmente para determinar la antigüedad de ADN en cuestión, para esto se utiliza una reacción en cadena de polimerasas lo que permite estudiar los registros a nivel molecular del ADN encontrado para determinar la vejez del mismo. Con este tipo de procedimiento ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 32 5.3. MORFOLOGÍA DEL CROMOSOMA METAFÁSICO Los cromosomas se ven como estructuras delgadas y alargadas. Tienen un brazo corto y otro largo separados por un estrechamiento o constricción primaria, llamada centrómero. El brazo corto se designa como p (petite) y el largo como q (grande). El centrómero es el punto de unión del huso mitótico y es parte integral del cromosoma. Es esencial para el movimiento y segregación normales del cromosoma durante la división celular. Con frecuencia tienen constricciones secundarias (NOR) en los brazos cortos, conectando trozos muy pequeños de ADN llamados satélites, que contienen genes que codifican el RNA ribosómico. Las cromátides. son estructuras idénticas en morfología e información ya que contienen cada una una molécula de ADN. Las cromátidas están unidas por el centrómero. Morfológicamente se puede decir que el cromosoma es el conjunto de dos cromátidas y genéticamente cada cromátida tiene el valor de un cromosoma. Los telómeros. Al extremo de cada brazo del cromosoma se le denominan telómero. El ADN de los telómeros no se transcribe. Los cromosomas metafásicos cuatro formas básicas y se pueden clasificar de acuerdo con la longitud de los brazos corto y largo, así como por la posición del centrómero. Los cromosomas metacéntricos tienen los brazos corto y largo de aproximadamente la misma longitud, con el centrómero en el punto medio. Los cromosomas submetacéntricos tienen los brazos corto y largo de longitudes desiguales, con el centrómero más próximo a uno de los extremos. Los cromosomas acrocéntricos tienen el centrómero my cerca de un extremo, con un brazo corto muy pequeño. En los telocéntricos el centrómero está en un extremo del cromosoma y éste tiene un solo brazo. Los cromosomas acrocéntricos a veces tienen apéndices tipo tallo denominados satélites que forman el nucléolo de la célula en la interfase de reposo y contienen múltiples copias repetidas de los genes para el RNA ribosómico 5.4. NUMERO, TAMAÑO Y FORMA DE LOS CROMOSOMAS Se llama cariotipo al número, forma y tamaño de los cromosomas de una determinada especie. Esto es, al conjunto de los cromosomas de una célula. Los cromosomas de una célula pueden ser observados al microscopio óptico, fotografiados y sobre estas fotografías pueden contarse y medirse con toda facilidad. Los cromosomas pueden recortarse de la fotografía y ordenarse por su tamaño, de mayor a menor, y por la ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 35 posición del centrómero. Esta distribución ordenada de los cromosomas recibe el nombre de idiograma. La figura siguiente muestra el cariotipo del ratón (Mus musculus) especie 2n Ratón 40 Conejo 44 Cobayo 16 Rata 42 Hamster 44 Perro 78 Humano 46 El número de cromosomas de las células somáticas siempre par, ya que cada célula somática dispone de dos juegos de cromosomas y cada cromosoma de una serie tiene su homólogo en la otra. Los cromosomas homólogos provienen cada uno de un progenitor. Es por esto que contienen información para los mismos caracteres, pero no necesariamente la misma información, pues uno de los progenitores ha podido aportar un alelo para un gen y el otro progenitor otro. El número de cromosomas de cada serie recibe el nombre de número haploide o n y ha sido heredado de uno de los progenitores. El número total de cromosomas es el número diploide o 2n. Así, en el ratón n=20 y 2n=40. En los mamíferos los cariotipos del macho y de la hembra son diferentes. La hembra tiene dos cromosomas X (XX-homogamética) y el macho tiene un cromosoma X y otro Y (heterogamético– XY). Estos cromosomas que determinan el sexo se llaman, sexuales. El resto de los cromosomas se denominan autosomas. En las aves es, al contrario, el macho es homogamético (ZZ) y la hembra heterogamética (ZW). 5.5. CROMOSOMAS SEXUALES ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 36 El número de cromosomas es fijo para cada especie. En las últimas décadas las investigaciones sobre biología molecular y genética han ampliado el concepto que tradicionalmente se tiene sobre la determinación del sexo. En los mamíferos la determinación sexual primaria es estrictamente cromosómica. La combinación XX o XY es la responsable del sexo genético, en la que el sexo homogamético es el femenino (XX) y el sexo heterogamético es el masculino (XY). La pre sencia de un cromosoma Y hace que un embrión se diferencie como macho y se desarrollen testículos y no ovarios. Este hecho indica que existen genes propios del sexo masculino en el cromosoma Y, que no están presentes en el X. Los embriólogos habían descubierto que durante el primer mes del desarrollo embrionario en los seres humanos (y de alrededor de 11 días en el ratón), las gónadas que se forman no son testículos ni ovarios, sino de sexo indeterminado. Aproximadamente hacia las seis o siete semanas de desarrollo en el humano las gónadas se convierten en ovarios o bien en testículos. En 1991, Lovell-Badge y Goddfellow y sus colaboradores en Inglaterra aislaron un gen denominado SRY (sex determining region Y). El gen Sry se ha identificado como el factor determinante de los testículos, porque cuando se inyecta en ratones hembras normales (XX) hace que se desarrollen como machos. Aunque estos machos XX son estériles, parecen machos normales en cualquier otro aspecto. El gen SRY activa la proteína sf-1 que posee gran importancia en el desarrollo testicular y en la regulación de la hormona antimulleriana (que participa en la diferenciación masculina). Para que un embrión se diferencie como de sexo masculino es no obstante necesaria, pero no suficiente, la presencia del gen SRY. El desarrollo testicular dependerá de una serie de sucesos en los que interactúa el gen SRY con genes autosómicos y otros ligados al cromosoma X. En forma inversa, la ausencia del gen SRY permitirá el desarrollo de los ovarios mediante una secuencia en la que participarían los mismos genes autosómicos y del cromosoma X que actuarían en el macho. 5.6. BANDEO DE LOS CROMOSOMAS Se pueden utilizar diferentes métodos de tinción para identificar a los cromosomas individuales. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 37 afectar a genes cercanos. También inhibe la recombinación genética entre secuencias repetitivas homólogos. HETEROCROMATINA FACULTATIVA. Es cromatina que se ha inactivado de manera específica durante ciertas fases de la vida de un organismo o en ciertos tipos de células diferenciadas. No va acompañada de una alteración de la estructura génica. Los genes reprimidos difieren de un tipo celular a otro: en tipos celulares diferentes, no se expresan los mismos genes. Dicho mecanismo explica la diferenciación celular. Por ejemplo, los genes de la citoqueratina están reprimidos en los fibroblastos, y los de la vimentina, en los queratinocitos. EUCROMATINA. No es visible al MO, puesto que está constituida por fibras cromatinicas no espiralizadas o desespiralizadas. Estas fibras son genéticamente activas, y corresponden a moléculas de ADN en curso de replicación o de transcripción. Estas regiones, formadas de ADN, son el lugar de la transcripción del ARNm, del ARNt y de un solo ARNr, el ARNr 5S. La síntesis del ARNm y el ARNt se efectúa pasando sobre los nucleosomas. Gracias a la acción de la ARN polimerasa, que permite la síntesis del ARN apartir del ADN, este último se desenrolla parcialmente del cotomero de histonas sin liberarse completamente. Entre el 1 y 5% del ARN sintetizado es ARNm; el 15%, ARNt Y EL 80%, ARNr. *Los espacios intercromaticos son el lugar de paso de los distintos ARN hacia la membrana nuclear. Contienen igualmente los cuerpos nucleares o NB (nuclear bodies). FIBRAS NUCLEOSOMICAS. Es una fibra constituida por una molécula de ADN y una sucesión de nucleosomas distantes 10nm entre sí, alrededor de los cuales la molécula de ADN se enrolla en hélice sobre una longitud de 140 pares de bases. Los nucleosomas son estructuras esféricas o cilíndricas constituidas por ocho moléculas de histonas. El examen con microscopia electrónica de la cromatina demuestra que está formada por fibras de trayectoria espiral, las fibras nucleosomicas. Con una longitud total variable, estas fibras dibujan trayectos complejos y sinuosos. Existen tanto en la cromatina como en los espacios intercromatinicos y describen espiras estrechamente enrolladas en la heterocromatina. ESTRUCTURA. Las fibras nucleosomicas del núcleo interfasico, obtenidas por extracción, poseen una estructura en forma de “collar de cuentas”. Cada “cuenta” corresponde a un nucleosoma (para algunos en forma de disco, para otros en forma de esfera o de cilindro) y tiene un diámetro aproximado de 10nm. Cada nucleosoma está constituido por un único núcleo proteico (core) formado por las histonas H2A, H2B, H3, H4(PM comprendido entre 11 y 21 Kd). Estas histonas se organizan formando octomero (cuatro pares, un par por cada tipo de histona). Una histona H1 extranucleosomica controla el grado de ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 40 enrollamiento o de condensación del filamento de cromatina. Cuando los nucleosomas están separados unos de otros, la fibra cromatinica tiene un diámetro de 10nm. 6.4. GRADOS DE ESPIRILIZACION La cromatina está constituida por fibras nucleosomicas cuyo grado de espirilización es variable (fibras hiperespirilazadas en la heterocromatina, desespirilizadas en la| eucromatina). Los nucleosomas (histonas H2A, H2B, H3, H4) están siempre localizados en el mismo sitio, en una molécula concreta de ADN. Las regiones reguladoras son de fácil acceso: están situadas en regiones desprovistas de nucleosomas. Por el contrario, el promotor, cuando está en contacto con el nucleosoma no puede asociarse a los complejos TF de iniciación de la transcripción ni a la ARN polimerasa. Los factores de transcripción que interactúan con las regiones reguladoras liberan el promotor del nucleosoma. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 41 6.5. PASOS DEL ENSAMBLAJE DE LA CROMATINA, 1. El ensamblaje comienza con la incorporación del tetrámero H3/H4, seguido por la adición de dos dímeros H2A-H2B para formar una partícula core. 2. Las histonas recién sintetizadas son modificadas específicamente; por ejemplo, la histona H4 se acetila en la Lys5 y en la Lys12 (H3-H4*). La maduración requiere ATP y la desacetilación de histonas para establecer el espaciado regular. 3. La incorporación de histonas de unión se acompaña de plegado del nucleofilamento. Aquí, el modelo muestra la estructura en solenoide en la que hay seis nucleosomas por vuelta. 4. Los posteriores plegamientos conducen, en último término, a una organización muy definida en dominios dentro del núcleo. 7. HISTONAS ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 42 problemas genéticos como la causa de un trastorno o enfermedad. Por medio de esta prueba se puede: contar el número de cromosomas o buscar cambios estructurales en los cromosomas. 8.3. CARIOGRAMA Es la representación gráfica del cariotipo, ordenada por parejas de cromosomas homólogos para poder detectar anomalías o clasificar especies es necesario llevar a cabo un cultivo de células y cuando estas comienzan a dividirse, teñirlas y hacer una preparación microscópica para fotografiar los cromosomas. 8.4. PREPARACIÓN DE UN CARIOTIPO Es posible realizar un análisis del cariotipo de cualquier tejido, pero el de elección es el cultivo de linfocitos de sangre periférica porque es rápido, económico, y provee un número adecuado de células en división. Para este análisis se usa sangre venosa entera entre 1ml o menos con 0.1ml de heparina, la cual se emplea como anticoagulante; la sangre heparizada se lleva a centrifugar con el fin de separar la capa de linfocitos lo cual se siembra en un frasco de cultivo, con un medio esencial mínimo y 10% de suero, o también en un medio de cultivo sintético con suplementos, y se agregan antibióticos para garantizar que no haya contaminación bacteriana. Al cultivo se le incorpora fitohemaglutinina la cual se acopla a la membrana de los linfocitos que estimulan su transformación en linfoblastos en las primeras 24 horas del cultivo; luego los propios linfocitos segregan interleuquina 2, que estimula su división después de 72 horas realizado el cultivo se añade la colchicina, para detener las mitosis en metafase; después de una hora de añadir la colchicina antes de realizar el preparado de la muestra , se somete a las células a un choque hipotónico con Cloruro de potasio a 0.075 M, con el objetivo de que los cromosomas se separan entre sí para su mejor observación. Los preparados se realizan utilizando un fijador para cromatina de las células (etanol 3 partes, ácido acético 1 parte) y luego se gotea la suspensión celular sobre un porta objetos y se seca al aire libre, y posterior a ello la muestra se tiñe con el colorante de giemsa lo cual da una coloración homogénea a los cromosomas, luego la muestra se lleva al microscopio para examinar el tamaño y la forma de los cromosomas después de ello se toma una fotografía, se amplía la fotografía, se los recorta y se los ordena de acuerdo a su tamaño decreciente con los centrómeros sobre la línea de puntos. A partir del cariotipo pueden detectarse ciertas anormalidades. 8.5. CLASIFICACIÓN Se ha establecido un sistema internacional de nomenclatura para citogenética humana (SINCH=ISCN), por medio del cual la descripción del cariotipo normal y patológico esta estandarizada. Esta clasificación está basada en el tamaño de los cromosomas y en la posición relativa del centrómero; si el centrómero es central, el cromosoma es metacéntrico; cuando está muy cerca de un extremo es, es acrocentrico; los casos intermedios son los submetacentricos. Ojo en la especie ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 45 humana no existen cromosomas telocentricos. La clasificación básica de los cromosomas humanos comprende de siete grupos: • Grupo A: cromosomas del par 1 al 3; muy grandes y metacéntricos. • Grupo B: cromosomas del par 4 al 5; grandes y submetacentricos. • Grupo C: cromosomas del par 6 al 12 y el cromosoma x; medianamente grandes y entre metacéntricos y submetacentricos. • Grupo D: cromosomas del par 13 al 15; medianos y acrocentricos; presentan satélites con organizador nucleolar. • Grupo E: cromosomas del par 16 al 18 entre medianos y pequeños y submetacentricos. • Grupo F: cromosomas del par 19 al 20 son pequeños y metacéntricos. • Grupo G: cromosomas del par 21 al 22 y el cromosoma y estos son muy pequeños y acrocentricos. 8.6. TIPOS DE CARIOTIPO CARIOTIPO CLÁSICO: En el cariotipo clásico se suele utilizar una solución de Giemsa como tinción (específica para los grupos fosfato del ADN) para colorear las bandas de los cromosomas (Bandas-G), menos frecuente es el uso del colorante Quinacridina (se une a las regiones ricas en Adenosina-Timina). Cada cromosoma tiene un patrón característico de banda que ayuda a identificarla. Los cromosomas se organizan de forma que el brazo corto de este quede orientado hacia la parte superior y el brazo largo hacia la parte inferior. Algunos cariotipos nombran a los brazos cortos p y a los largos q. Además, las diferentes regiones y subregiones teñidas reciben designaciones numéricas según la posición a la que se encuentren respecto a estos brazos cromosómicos. Por ejemplo, el síndrome de Cri du Chat implica una delección en el brazo corto del cromosoma 5. Está escrito como 46, XX, 5p-. La región crítica para este síndrome es la delección de 15.2, la cual es escrita como 46, XX del (5) (p15.2). CARIOTIPO ESPECTRAL: El análisis espectral de los cariotipos (o SKY) se trata de una tecnología de citogenética molecular que permite el estudio y visualización de los 23 pares de cromosomas en forma simultánea. Las Sondas marcadas fluorescentemente son hechas para cada cromosoma al marcar DNA específico de cada cromosoma con diferentes fluoroforos. Debido a que hay un limitado número de fluoroforos espectralmente distintos, un método de etiquetado combinatorio es usado para generar muchos colores diferentes. Las diferencias espectrales generadas por el etiquetado combinatorio son capturadas y analizadas usando un interferómetro agregado a un microscopio de fluorescencia. El programa de procesamiento de imágenes entonces asigna un pseudocolor a cada combinación espectralmente diferente, permitiendo la visualización de cromosomas coloreados. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 46 Esta técnica es usada para identificar aberraciones estructurales cromosómicas en células cancerígenas y otras patologías cuando el bandeo con Giemsa u otras técnicas no son lo suficientemente precisas. no son suficientemente seguras. Este tipo de técnicas mejorará la identificación y diagnóstico de las aberraciones cromosómicas en citogenética prenatal, así como en células cancerosas. CARIOTIPO DIGITAL: El cariotipo digital es una técnica utilizada para cuantificar el número de copias de ADN en una escala genómica. Se trata de secuencias de locus de ADN específicos de todo el genoma que son aisladas y enumeradas. Este método es también conocido como cariotipado virtual. 8.7. ALTERACIONES DEL CARIOTIPO Las alteraciones que se pueden presentar en el cariotipo se clasifican en dos grandes grupos: las alteraciones del número de cromosomas y las alteraciones de su estructura. ALTERACIÓN NUMÉRICA: las alteraciones numéricas pueden ser del conjunto cromosómico completo o de algunos cromosomas en particular. Se considera que la célula normal es euploide, es decir tiene el número diploide correcto de 46 cromosomas. Anormalmente, el conjunto puede estar formado por tripletes (llamándose triploide de 69 cromosomas) o por cuadrupletes (tetraploide de 92 cromosomas); estos casos son de poliploidia, o sea de multiplicación del conjunto cromosómico. Cabe recordar que el conjunto cromosómico básico, presente en un gameto humano, se llama conjunto haploide de 23 cromosomas. Cuando el conjunto cromosómico no es un múltiplo exacto del número haploide, la anomalía se llama aneuploidia. Así uno o más cromosomas excedentes, o uno o más cromosomas faltantes, son casos de aneuploidia. Cuando existe un cromosoma excedente y homólogo de uno de los normales, hay triplete y la anomalía se llama trisomía. La trisomía más común es la del cromosoma 21 (síndrome de down). Cuando falta un cromosoma hay un solo homologo y esta anomalía es una monosomia. La única monosomia viable en la especie humana es la del cromosoma x (síndrome de Turner). Las poliploidias humanas son letales tempranas, aunque algunos casos raros sobreviven hasta época perinatal. Otro tipo de anomalía de todo el conjunto de cromosomas (aunque el número sea euploide,46 cromosomas) es la diandria, es decir que el conjunto cromosómico proviene íntegramente del padre (desapare el conjunto cromosómico materno y esta duplicado el del padre). Esta anomalía no solo es letal temprana, sino que en vez de embrión se desarrolla una mola hidatidiforme. A su vez, si el conjunto cromosómico proviene solo de la madre, el resultado es una diginia, también es letal temprana. Cuando el organismo, en vez de haber un único conjunto cromosómico en todas las células somáticas, existen algunas células que muestran un cariotipo distinto, se dice que existe un mosaicismo(mosaicos). Los mosaicos son relativamente frecuentes e implica que hay (al menos) dos líneas celulares desde el embrión temprano. ALTERACIÓN ESTRUCTURAL: las alteraciones estructurales son las más difíciles de reconocer que las numéricas y en general permanecieron poco ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 47 9. PATOLOGÍA 9.1. SÍNDROME DE DOWN Es un trastorno genético causado por la presencia de una copia extra del cromosoma 21 (o una parte del mismo), en vez de los dos habituales. Es decir, la enfermedad se debe a una trisomía en el par 21 del genoma. Se caracteriza por la presencia de un grado variable de discapacidad cognitiva y unos rasgos físicos peculiares que le dan un aspecto reconocible fenotípicamente. No se conocen con exactitud las causas que provocan el exceso cromosómico, aunque se relaciona estadísticamente con una edad materna superior a los 35 años, pues la aparición de este tipo de trisomías es más frecuente en maternidades tardías. Las personas con síndrome de Down tienen una probabilidad superior a la de la población general de padecer algunas enfermedades, especialmente de corazón, sistema digestivo y sistema endocrino, debido al exceso de proteínas sintetizadas por el cromosoma de más. EL cromosoma extra heredado es perfectamente funcional y, al tener su propia regulación, se sintetiza un mayor número de proteínas que codifican para el cromosoma 21. Aun cuando las personas con síndrome de Down tienen algunas características físicas y mentales comunes, los síntomas pueden ser de leves a graves. Por lo general, las personas con síndrome de Down presentan un desarrollo físico y mental más lento que las personas que las demás personas. Algunos signos físicos comunes del síndrome de Down consisten en: • Cara achatada y ojos ligeramente rasgados hacia arriba, cuello corto, orejas pequeñas y lengua larga. • Manchas blancas diminutas en el iris del ojo (la parte coloreada). • Manos y pies pequeños. • Un solo pliegue en la palma de la mano. • Dedos meñiques pequeños y a veces encorvados hacia el pulgar. • Débil tono muscular o ligamentos flojos. • Defectos de nacimiento en el corazón. • Problemas estomacales, como obstrucción en el intestino delgado • Enfermedad celiaca, un problema digestivo que daña el intestino delgado impidiendo la absorción de los nutrientes. • Problemas de memoria, concentración y juicio, a menudo llamados demencia ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 50 • Problemas auditivos. • Problemas en los ojos, como cataratas y dificultad para ver objetos cercanos (hipermetropía) • Problemas de la glándula tiroides • Problemas en el esqueleto 9.2. SÍNDROME DE TURNER El síndrome de Turner es un trastorno cromosómico que afecta el desarrollo de las mujeres. La enfermedad resulta cuando hay solamente un cromosoma X en cada célula (normalmente las mujeres tienen 2 cromosomas X en cada célula) o cuando a un cromosoma X le falta un pedazo o tiene una estructura anormal en unos de los cromosomas X. Las señales y síntomas pueden incluir baja estatura; insuficiencia ovárica prematura; cuello corto y alado; cabello con implantación baja en la nuca; y manos y pies hinchados (linfedema). Algunas mujeres con el síndrome de Turner tienen anomalías esqueléticas, problemas renales y / o un defecto cardíaco congénito. La mayoría de las personas afectadas tienen una inteligencia normal, pero algunas tienen retrasos en el desarrollo, problemas de aprendizaje y / o problemas de conducta. El síndrome de Turner típicamente no se hereda, excepto en casos raros. El tratamiento puede incluir terapia de hormona del crecimiento para mejorar la estatura baja y la terapia de estrógeno para ayudar a estimular el desarrollo sexual. Aunque la mayoría de las mujeres con síndrome de Turner son infértiles, las técnicas de reproducción asistida pueden ayudar a que algunas mujeres queden embarazadas. Los síntomas comunes del síndrome de Turner consisten en: Las señales y síntomas del síndrome de Turner son muy variados y pueden ser desde muy leves a más graves. La baja estatura es la característica más común y por lo general, se nota como a los 5 años en la primera infancia. Las infecciones frecuentes del oído medio son comunes y pueden llevar a la sordera en algunos casos. Muchas niñas no tienen las hormonas sexuales necesarias para la pubertad y por eso no tienen el estiramiento de la pubertad, ni tienen menstruación, ni desarrollan los pechos, a no ser que se haga el tratamiento hormonal. Otros síntomas del síndrome de Turner pueden incluir: • Cuello corto y ancho • Cabellos con implantación baja en la nuca • Hinchazón (linfedema) de las manos y los pies • Pecho amplio y pezones muy separados unos del otro • Brazos un poco rodados para dentro en la parte de los codos • Defectos cardíacos congénitos ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 51 • Curvatura anormal de la columna (escoliosis) u otras anomalías esqueléticas • Problemas de riñón • Glándula tiroides poco activa • Un ligero aumento del riesgo de desarrollar diabetes, en especial, para pacientes mayores o con sobrepeso • Osteoporosis debido a una falta de estrógenos, (por lo general se previene por la terapia de reemplazo hormonal). 9.3. EL SÍNDROME DEL SUPERHOMBRE (47, XYY) El síndrome XYY (también llamado síndrome del superhombre) es una anomalía genética que afecta a los varones y que únicamente puede detectarse a través de un test prenatal. No es hereditaria ni se relaciona con factores como la edad de los progenitores. Por su escasa frecuencia (1 de cada 1.000 casos) está considerado como una enfermedad rara. El síndrome XYY– 47, XYY es una trisomía consecuencia de la duplicación espontánea del cromosoma Y, por lo que solo afecta a los varones. Los niños afectados con síndrome XYY pueden presentar esta copia extra del cromosoma Y en todas sus células o únicamente en algunas. En este segundo caso el síndrome se conoce como 46, XY/47 mosaicismo XYY. El síndrome XYY no debe confundirse con el síndrome de Klinelfer, una anomalía cromosómica similar en la que el niño presenta una copia extra del cromosoma X (XXY). El síndrome de Klinelfer puede causar hipogonadismo, diversas malformaciones y problemas metabólicos generalizados. Causas del síndrome del superhombre Ni el síndrome XYY ni su variante 46, XY/47 mosaicismo XYY tienen origen hereditario. Todo apunta a que esta copia del cromosoma Y ocurre en el proceso de formación de los espermatozoides cuando, de forma aleatoria, durante la división celular se produce un error que hace que algunas células de esperma tengan dos copias del cromosoma Y. Si una de estas células reproductivas contribuye a la composición genética del niño éste tendrá el cromosoma Y extra. Signos y características En la mayoría de los casos el síndrome XYY no causa características físicas inusuales o problemas médicos específicos. De hecho, muchas personas ni siquiera saben que lo padecen. Aun así, se ha asociado con alta estatura y problemas en el aprendizaje. Su inteligencia es normal, aunque pueden tener un cociente intelectual ligeramente inferior al de otros miembros de su familia. ESTRUCTURA MOLECULAR DE GENES Y CROMOSOMAS, CARIOTIPOS, PATOGENIAS 52