Genética: Genes, Cromosomas y ADN, Apuntes de Genética

¡Descarga Genética: Genes, Cromosomas y ADN y más Apuntes en PDF de Genética solo en Docsity! Tema: Genes y cromosomas. - Cromosoma: molécula única de DNA portadora de los genes. - Genoma: dotación completa de DNA de un organismo - Gen: segmento de DNA que especifica una proteína ( a través del mRNA, un tRNA, y rRNA o cualquier otro RNA no codificante. Los genes están alineados en los cromosomas (Morgan 1910, Sturtevant 1913) En el gen está el ADN (Avery 1940) El ADN se compone de dos cadenas, cada una formada por nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un azúcar de 5 C (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada (A-T; C-G). En la doble cadena las bases se emparejan, y son complementarias. El ADN adopta forma de doble hélice, como una escalera caracol donde los lados son cadenas de azúcares y fosfato conectadas por “escalones”, que son las bases nitrogenadas. La molécula de ADN se asocia con proteínas llamadas histonas que se encuentra muy enrollada y compactada para formar el cromosoma La composición genética puede estar en el ADN o en el ARN. Tanto eucariotas como procariotas invierten energía en el empaquetamiento de todo su ADN con el fin de transmitirlo a las próximas generaciones, ya que dentro de este ADN se encuentra TODA LA INFORMACIÓN para generar una nueva célula o un nuevo organismo. Nucleótidos El ADN y el ARN son polímeros (en el caso del ADN, suelen ser polímeros muy largos) y se componen de monómeros conocidos como nucleótidos. Cuando estos monómeros se combinan, la cadena resultante se llama polinucleótido (poli- = "muchos"). Cada nucleótido se compone de tres partes: una estructura anular que contiene nitrógeno llamada base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos, y al menos un grupo fosfato. La molécula de azúcar tiene una posición central en el nucleótido, la base se conecta a uno de sus carbonos y el grupo (o grupos) fosfato, a otro. Bases nitrogenadas Phoebus A. Levene encontró que el ADN tiene 4 tipos de anillos heterocíclicos diferentes→ bases nitrogenadas. Las bases nitrogenadas de los nucleótidos son moléculas orgánicas (basadas en carbono), compuestas por estructuras anulares que contienen nitrógeno. Cada nucleótido en el ADN contiene una de cuatro posibles bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G) citosina (C) y timina (T). La adenina y la guanina son purinas, lo que significa que sus estructuras contienen dos anillos fusionados de carbono y nitrógeno. En cambio, la citosina y la timina son pirimidinas y tienen solo un anillo de carbono y nitrógeno. Los nucleótidos de ARN también pueden contener bases de adenina, guanina y citosina, pero tienen otra base tipo pirimidina llamada uracilo (U) en lugar de la timina. Como se muestra en la figura anterior, cada base tiene una estructura única, con su propio conjunto de grupos funcionales unidos a la estructura anular. Como abreviaturas en la biología molecular, las bases nitrogenadas se suelen nombrar por sus símbolos de una letra: A, T, G, C y U. El ADN contiene A, T, G y C, mientras que el ARN contiene A, U, G y C (es decir, la U se intercambia por T). Los azúcares Además de tener conjuntos de bases ligeramente diferentes, los nucleótidos de ADN y ARN también tienen azúcares ligeramente distintos. El azúcar de cinco carbonos del ADN se llama desoxirribosa, mientras que en el ARN el azúcar es la ribosa. Estas dos moléculas son semejantes en estructura, solo con una diferencia: el segundo carbono de la ribosa tiene un grupo hidroxilo, mientras que el carbono equivalente en la desoxirribosa tiene un hidrógeno en su lugar. Los átomos de carbono de una molécula de azúcar se numeran 1', 2', 3', 4' y 5' (1' se lee "uno prima"), como se muestra en la figura anterior. En un nucleótido, el azúcar ocupa la posición central, la base se une al carbono 1' y el grupo (o grupos) fosfato se une al carbono 5'. El fosfato Los nucleótidos pueden tener solo un grupo fosfato o una cadena de hasta tres grupos fosfato que se unen al carbono 5' del azúcar. Algunas fuentes de información química utilizan el término "nucleótido" solo para el caso de un fosfato, pero en biología molecular generalmente se acepta la definición más amplia. En una célula, el nucleótido que está por añadirse al final de una cadena de polinucleótidos contendrá una serie de tres grupos fosfato. Cuando el nucleótido se une a la cadena creciente de ADN o ARN, pierde dos grupos fosfato. Por lo tanto, en una cadena de ADN o ARN, cada nucleótido solo tiene un grupo fosfato. Cadenas de polinucleótidos Una consecuencia de la estructura de los nucleótidos es que una cadena de polinucleótidos tiene direccionalidad, es decir tiene dos extremos que son distintos entre sí. En el extremo 5', o inicio de la cadena, sobresale el grupo fosfato unido al carbono 5' del primer nucleótido. En el otro extremo, llamado extremo 3', está expuesto el hidroxilo unido al carbono 3' del último nucleótido. Las secuencias de ADN generalmente se escriben en la dirección 5' a 3', lo que significa que el nucleótido del extremo 5' es el primero y el nucleótido del extremo 3' es el úlitmo. Conforme se agregan nuevos nucleótidos a una cadena de ADN o ARN, esta crece en su extremo 3', cuando se une el fosfato 5′ del nucleótido entrante al grupo hidroxilo en el extremo 3' de la cadena. Esto produce una cadena en la que cada azúcar se une a sus vecinos por una serie de enlaces llamados enlaces fosfodiéster. Características del ADN En el ácido desoxirribonucleico, o ADN, las cadenas se encuentran normalmente en una doble hélice, una estructura en la que dos cadenas emparejadas (complementarias) se unen entre sí, como se muestra en el diagrama de la izquierda. Los azúcares y los fosfatos se encuentran en el exterior de la hélice y constituyen el esqueleto del ADN; esta parte de la molécula se suele llamar esqueleto de azúcar-fosfato. Las bases nitrogenadas se extienden hacia el interior, en parejas, como los peldaños de una escalera; las bases de un par se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno. Las dos cadenas de la hélice corren en direcciones opuestas, lo que significa que el extremo 5′ de una cadena se une al extremo 3′ de su cadena correspondiente. Esto se conoce como orientación antiparalela y es importante al copiar ADN. nucleosómica. Los nucleosomas están separados unos de otros por un segmento corto de ADN libre y no unido a histonas nucleosómicas. El ADN asociado a las histonas presenta varios grados de compactación en el nucleoplasma. La fibra nucleosómica se enrolla y con la participación de las histonas H1 se forma el SOLENOIDE. Estas zonas condensadas son difíciles de transcribir por las ARN polimerasas y corresponden a regiones de ADN denominadas heterocromatina. El grado de compactación del ADN es regulado estrictamente por la célula gracias a modificaciones químicas reversibles que sufren las histonas. Los SOLENOIDES se compactan a su vez en la fibra de 300 nm. Mayores niveles de compactación se observan entonces en la división celular (mitosis y meiosis). Al principio de la mitosis, la compactación del ADN nuclear aumenta aún más. Los cromosomas se condensan y forman los cromosomas mitóticos y ahora pueden ser vistos al microscopio óptico. Cada cromosoma presenta tres regiones caracterizadas por una secuencia de NUCLEÓTIDOS específica e idéntica en los miembros del mismo par cromosómico. 1.- Regiones de replicación, que corresponden a las regiones en las cuales la enzima ADN polimerasa comienza la replicación de una de las cadenas de ADN en la interfase, durante la fase S del ciclo. 2.- Un centrómero, que permite separar el cromosoma en brazos de longitud variable. Tambien llamada constricción primaria. 3.- Telómeros, o extremidades de los brazos de los cromosomas. La región dentro del cromosoma en donde está localizado un gen se denomina locus. Cada locus contiene un alelo del gen en particular. Los mamíferos que poseen dos copias de un gen proveniente de cada progenitor se denominan diploides. Por su parte, las bacterias son organismos haploides ya que poseen una sola copia de cada gen. Los organismos eucariotas tienen un número especie-específico de cromosomas. En las células eucariotas los cromosomas son lineales. Los organismos procariotas tienen un único cromosoma circular. El cariotipo es el ordenamiento de los cromosomas metafásicos de una célula, ordenados por tamaño, morfología y tinción. El cariograma (mapa citogenético) es la representación gráfica de los cromosomas de una célula metafásica. El idiograma es la representación esquemática del tamaño, forma y patrón de bandas de todo el complemento cromosómico, los cromosomas se presentan alineados por el centrómero, y con el brazo largo siempre hacia abajo. Los cromosomas varían en número y forma entre los seres vivos. La mayoría de las bacterias (Procariotas) tienen uno o dos cromosomas circulares. Los Eucariotas, tienen cromosomas lineales que se ordenan en pares dentro del núcleo de la célula. El número total de cromosomas por célula es específico para cada especie y se denomina dotación cromosómica. Las únicas células humanas que no contienen pares de cromosomas son las células reproductoras, o gametos, que portan solamente una copia de cada cromosoma. Cuando dos células reproductoras se unen, se convierten en una sola célula que contiene dos copias de cada cromosoma. A continuación, estas células y sus sucesoras se dividen numerosas veces. El resultado final es un individuo maduro portador de un complemento cromosómico completo en prácticamente todas las células de su cuerpo. Además de los cromosomas lineales, los eucariotas portan un tipo mucho más pequeño de cromosoma similar a aquellos vistos en las bacterias. Este cromosoma circular se encuentra en las mitocondrias y cloroplastos. Los científicos piensan que, en un pasado muy distante, las mitocondrias eran bacterias que vivían independientemente, y que fueron asimiladas por otras células que carecían de la capacidad para aprovechar la energía del oxígeno. Con el tiempo, las bacterias atrapadas evolucionaron para convertirse en las mitocondrias de las células de hoy en día (Teoría Endosimbiótica). Los cromosomas lineales presentan una constricción que se denomina centrómero, aunque habitualmente no se encuentra localizada exactamente en el centro del cromosoma y, en algunos casos, se encuentra casi en el extremo del cromosoma. Las regiones a ambos lados del centrómero se conocen como los brazos del cromosoma. Los centrómeros ayudan a mantener a los cromosomas correctamente alineados durante la división celular. A medida que se copian los cromosomas en preparación para la producción de una nueva célula, el centrómero funciona como un sitio de unión para las dos mitades de cada cromosoma duplicado, conocidas como cromátidas hermanas. Los telómeros son tramos repetitivos de ADN ubicados en los extremos de los cromosomas lineales. Protegen los extremos de los cromosomas impidiendo que los cromosomas se «desenreden» o se desorganicen. En muchos tipos de células, los telómeros pierden un poco de su ADN, acortándose cada vez que una célula se divide. Al final, cuando todo el ADN del telómero ha desaparecido, la célula ya no puede duplicarse y muere. Los glóbulos blancos, y otros tipos de células con la capacidad para dividirse con mucha frecuencia, tienen una enzima especial que impide que sus cromosomas pierdan sus telómeros. Debido a que éstas retienen a sus telómeros, dichas células por lo general viven más tiempo que otras células. Los telómeros también desempeñan una función en el cáncer. Los cromosomas de células malignas normalmente no pierden sus telómeros, lo cual ayuda a impulsar el crecimiento descontrolado que hace que el cáncer sea tan agresivo. Dependiendo de la ubicación del centrómero estaremos en presencia de: - Cromosomas metacéntricos. Tienen el centrómero casi a la mitad exacta de la estructura, formando brazos de longitud muy parecida. - Cromosomas submetacéntricos. Tienen el centrómero desplazado del centro, pero no totalmente hacia ningún extremo. Poseen brazos inexactos y asimétricos, claramente distinguibles. - Cromosomas acrocéntricos. Tienen el centrómero cerca de un extremo, alejado del centro, formando brazos enormemente desiguales. - Cromosomas telocéntricos. El centrómero está en el extremo de ambas cromátidas y parece formar sólo dos brazos. Cada especie tiene un número fijo de cromosomas. Una mosca de la fruta (Drosophila), por ejemplo, tiene un complemento cromosómico de 4 pares de cromosomas, mientras que una planta de arroz tiene 12, y un perro, 39 pares. Los seres humanos tienen 23 pares de cromosomas, constituyendo un complemento cromosómico total de 46 cromosomas. 22 pares de cromosomas son iguales, denominados autosomas, y 1 par de cromosomas diferentes según el sexo del individuo, los cromosomas sexuales o heterocromosomas. Los cromosomas de cada especie poseen una serie de características, como la forma, el tamaño, la posición del centrómero y el bandeado de la tinción. Este conjunto de particularidades, que permite identificar los cromosomas de las distintas especies, recibe el nombre de cariotipo, y su representación gráfica, ordenada por parejas de cromosomas homólogos, se denomina cariograma. Para determinar el cariotipo de un individuo, 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. En un feto, las células se pueden obtener por amniocentesis, es decir, efectuando una punción en el vientre de la madre para obtener líquido amniótico o bien por punción directa del cordón umbilical para extraer sangre del feto. En un individuo adulto se utilizan los glóbulos blancos de la sangre. El último paso para determinar el cariotipo es ordenar y emparejar los cromosomas. Estructura en procariotas Superenrollamiento. Si lo extendiéramos, el cromosoma de Escherichia coli tendría una longitud de más de 1 mm, unas 400 veces más que la propia célula de E. coli. ¿Cómo es posible empaquetar tanto DNA en un espacio tan pequeño? La solución es la imposición de una estructura de «orden superior» en el DNA, en la que el DNA de doble cadena es retorcido aún más en un proceso llamado superenrollamiento. En la Figura 7.8 se muestra cómo se produce el superenrollamiento en un DNA dúplex circular. Si extendemos una molécula de DNA circular se pierde todo el superenrollamiento y el DNA se queda «relajado». Así pues, una molécula de DNA relajado tiene exactamente el número de vueltas de hélice predichas por el número de pares de bases. El superenrollamiento coloca la molécula de DNA bajo torsión, de forma muy similar a la tensión que se añade a una cinta de goma cuando se gira. El DNA se puede superenrollar de forma positiva o negativa. En el superenrollamiento positivo la doble hélice está sobre enrollada, mientras que en el superenrollamiento negativo la hélice está infra enrollada. El superenrollamiento negativo es el resultado de la torsión del DNA sobre su eje en el sentido opuesto respecto a la doble hélice dextrorsa. El superenrollamiento negativo es la forma predominante en la naturaleza, con algunas excepciones interesantes en determinadas especies de Archaea (Capítulo 8). En Escherichia coli se cree que existen más de 100 dominios superenrollados, cada uno de los cuales es estabilizado mediante la unión a proteínas específicas. Topoisomerasas: la DNA-girasa Las supervueltas pueden ser introducidas o eliminadas por enzimas conocidas como topoisomerasas. Existen dos clases principales de topoisomerasas, y cada una de ellas tiene un mecanismo diferente. Las topoisomerasas de clase I realizan un corte en una sola hebra del DNA, lo que permite la rotación de una cadena de la doble hélice sobre la otra. Cada una de estas rotaciones añade una super vuelta al DNA. A continuación, el corte se repara. Las topoisomerasas de clase II realizan cortes en ambas cadenas de DNA, pasan la doble hélice intacta a través del corte y, por último, reparan el corte. Cada operación añade o suprime dos super vueltas. La inserción de super vueltas en el DNA requiere energía procedente de ATP, mientras que la eliminación de super vueltas no precisa energía. En las bacterias y en la mayoría de las arqueas existe una enzima llamada ADN-girasa que introduce superenrollamiento negativo en el DNA. La DNA-girasa pertenece al grupo de topoisomerasas de tipo II. Su función se realiza en varias etapas. Primero, la molécula de DNA circular se retuerce; después, cuando las dos cadenas se tocan, se hace un corte en una de ellas. A continuación se pasa la cadena intacta a través del corte y por último se resella la doble hélice rota. Cabe señalar que algunos de los antibióticos que afectan a las bacterias, como la quinolona ácido nalidíxico, la fluoroquinolona ciprofloxacina y la novobiocina inhiben la actividad de la DNA-girasa. La novobiocina también es eficaz frente a algunas especies de Archaeas, en las que también parece inhibir la DNA-girasa. El genoma de la bacteria E. coli (con 4,6 Mb) contiene aproximadamente 4200 genes, con un tamaño promedio de 950 pb y con una separación promedio entre genes de 118 pb. El genoma de la levadura Saccharomyces cerevisiae tiene 13,5 Mb con aproximadamente 6000 genes. El genoma humano presenta un tamaño 250 veces más grande que el de la levadura (3300 b), y presenta solo 30.000 genes (solo 5 veces más genes que las levaduras). Genes Estructurales, Esenciales y No Esenciales. Los genes estructurales son aquellos que codifican para cualquier ARNnc (no codificante) o producto proteico (diferente de los diversos factores reguladores). Los genes esenciales son genes críticos para la supervivencia y normal funcionamiento de las células (en un ambiente con muchos nutrientes y sin estresores en el medio), tales como los genes replicación, duplicación, expresión del material genético, entre otros. Suelen denominarse housekeeping. Sin embargo, la mayoría de los genes son no esenciales, pero su presencia ofrecerá una ventaja selectiva y evolutiva. Operon. En procariotas, los genes estructurales con función relacionada están típicamente adyacentes uno al lado del otro en la cadena de ADN, formando un OPERÓN, permitiendo una regulación mas rapida y sencilla de la expresión de dichos genes. por tanto, un operón es una unidad reguladora completa de una serie de gene agrupados en las cuales se pueden distinguir 3 regiones particulares. - genes estructurales: codifican las enzimas o proteínas relacionadas. - genes reguladores: codifican proteínas reguladoras. - elementos de control: sitios del ADN ubicados cerca de los genes estructurales y sobre los que actúan las proteínas reguladoras ⇒ promotores ⇒ operadores Los genes y los cromosomas en la determinación del sexo. Sistemas de determinaion del sexo: sistemas biologicos que determinan los caracteres sexuales en la mayoria de los casos el sexode un organismo esta cntrolado por genes, situados en cromosomas especificos (cromosomas sexuales), Existen organismos en los que el sexo esta determinado por factores ambientales. la determinacion genetica de sexo es el conjunto de factores y mecanismos geneticos que definen el caracter “sexo” de un indviduo. La diferenciación sexual es la expresión fenotípica de la constitución genética, e implica la capacidad de producir dos clases complementarias de células germinales o gametos. mecanismos: → cromosómico → por haplodiploidía → génica → ambiental Dimorfismo sexual: es el conjunto de diferencias morfológicas y fisiológicas que caracterizan y diferencian a los dos sexos de una misma especie. Se definen como las variaciones en la fisonomía externa entre machos y hembras, tales como forma , coloración o tamaño. El grado de dimorfismo sexual suele variar mucho entre una especie y otra. el sexo cromosomico es la presencia de cromosomas caracteristicos de cada sexo y se detemina en el momento de la fertilizacion. el sexo fenotipico es la morfologia interna y externa de cada sexo, y resulta de diferencias en la expresion genica y la interaccion con el ambiente. Determinación cromosomica del sexo Presencia de heterocromosomas en muchos organismos, entre ellos los humanos, la determinacion del sexo se realiza por la presencia de cromosomas especiales llamados cromosomas sexuales o heterocromosomas, que se diferencian de los autosomas o cromosomas autosomicos. - sistema XX/XY: es el tipo de determinación de la especie humana y de otras especies animales (mamíferos, equinodermos, moluscos y numerosos artrópodos). Los cromosomas sexuales se denominan X e Y, en función de su forma y contenido. Las hembras tienen una dotacion de XX y son el sexo homogametico, ya qye todos los gametos que producen llevan el cromosoma X. Los machos son XY, de sexo heterogametico, puesto que la mitad de los gametos producidos portan el cromosoma X y la otra mitad el cromosoma Y. - sistema ZZ/ZW: tipo de determinación propia de las aves, de algunos anfibios y reptiles y de los lepidópteros (mariposas). Por convención, se utiliza la notación ZZ/ZW para no confundir con XX/XY. En este sistema las hembras son el sexo heterogametico (ZW). Los machos son el sexo homogametico (ZZ). - sistema XX/XO: en algunos insectos, uno de los dos sexos solo tiene un cromosoma sexual. La hembra tiene dos cromosomas sexuales similares (XX). El macho solo tiene un cromosoma sexual (XO). - sistema ZZ/ZO: las hembras poseen solo un cromosoma Z, son heterogameticas y producen dos clases de huevos. El macho posee dos cromosomas Z (ZZ) y produce un solo tipo de gameto. - sistema XA: la proporción X:A es la proporción entre el número de cromosomas X y el número de sets de autosomas en un organismo. Se usa para determinar el sexo en algunas especies, tale como la mosca de la fruta (Drosophila) y el nematodo C. elegans. Generalmente, la proporción 1:1 resulta en una hembra y la 1:2 en un macho. La diversidad de los sistemas de cromosomas sexuales varía entre diferentes tipos de animales: ● Los mamíferos usualmente usan el sistema XY (rojo). ● Las aves todas usan el sistema zw (azul). ● Los reptiles y peces tienen una variedad de sistemas diferentes. Algunos tienen sistemas basados en temperatura (verde), otros son hermafroditas (violeta) y algunos tienen cromosomas sexuales que se parecen entre si (amarillos). Determinacion genica del sexo existen uno o variosgenes determinantes del sexo, que pueden o no localizarse en un cromosoma sexual. estos genes corresponden a una serie alélica en donde el masculino (m) es dominante frente a hermafroditismo (h), y hermafroditismo dominante frente a femenino (f). este sistema es muy habitual en plantas. Asi, los individuos mahos seran los que presenten genotipos mm, mh y mf; hermafroditas los de genotipo hh y hf, y los unicamentes genotipos ff son hembras. En la planta Ecballíum elaterium (pepinillo del diablo), la determinacion del sexo depende de una serie alelila (aD>a+>ad): ● el alelo aD determina plantas con características masculinas ● el alelo a+ determina características de hermafroditismo ● el alelo ad determina características femeninas. Determinación del sexo en humanos El cromosoma Y humano juega un papel clave en la determinación del sexo de un embrión en desarrollo.