Organización de las moléculas de DNA en las células

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Organización de las moléculas de DNA en las células
Normalmente, las moléculas de DNA se encuentran en las células organizadas en estructuras compactas, en las que la hélice se encuentra bajo una fuerte tensión estructural. Esta tensión determina que las moléculas adopten una configuración superenrollada. El superenrollamiento puede ser de dos tipos: plectonémico y toroidal (Gómez-Eichelmann y Camacho-Carranza, 1995). Si se toma un eje imaginario que pasa por el centro, a lo largo de la hélice del DNA, el superenrollamiento plectonémico es aquel en el que este eje forma, a su vez, una hélice en el espacio.
En el superenrollamiento toroidal, el eje se enrolla alrededor de proteínas. 
El grado de superenrollamiento plectonémico del DNA está determinado principalmente por la acción de enzimas llamadas topoisomerasas.
Las topoisomerasas cortan y ligan nuevamente las hebras del DNA, después de que éstas han cambiado su posición en el espacio, lo que genera un cambio en la topología o estructura tridimensional de la molécula. Las topoisomerasas son de dos clases: I y II. Las de clase I cortan una de las dos hebras del DNA, no requieren ATP y causan el relajamiento progresivo de las moléculas superenrolladas de DNA, mientras que las de clase II requieren ATP, cortan las dos hebras del DNA y las ligan después de que éstas rotan en el espacio, introduciendo supervueltas en el DNA. En el caso de las bacterias, algunas de las topoisomerasas de clase II son capaces de cambiar la posición de las hebras, antes de unirlas nuevamente. Estas enzimas se denominan girasas. Las otras topoisomerasas de clase II requieren que el cambio espacial de las hebras del DNA se realice por un mecanismo independiente; por ejemplo, la unión de proteínas al DNA. El super enrollamiento toroidal se genera principalmente por la interacción de proteínas con carga positiva (básicas) con el DNA y la acción de las topoisomerasas, tanto de clase I como de II (Gómez-Eichelmann y Camacho Carranza, 1995).
Organización de las moléculas de DNA en las células
La molécula helicoidal de DNA se organiza dentro de las células en estructuras superenrolladas.
El genoma de las bacterias frecuentemente se encuentra en una sola
molécula circular de DNA; sin embargo, hay bacterias con dos moléculas
circulares o con una o más moléculas lineales. Cada molécula contiene una
región a partir de la cual se inicia su replicación. Este DNA, como el DNA
de todas las células, tiene un tamaño muy grande en relación con el volumen
que ocupa en la célula. Esto hace que el DNA bacteriano se encuentre
en las células en una estructura muy compacta denominada nucleoide. El
nucleoide contiene, además de la molécula de DNA condensada aproximadamente
1,000 veces, moléculas de RNA, enzimas como la RNA polimerasa
y las topoisomerasas y proteínas básicas (Gómez-Eichelmann y Camacho-
Carranza, 1995). En muchas bacterias, además de la o las moléculas de DNA
que contienen la información genética esencial y que se localizan en el nucleoide,
pueden encontrarse moléculas de DNA adicionales más pequeñas o
plásmidos. El tamaño pequeño de algunas de estas moléculas y la posibilidad
de purificarlas, de adicionarles o quitarles fragmentos de DNA y de introducirlas
nuevamente a las bacterias, permitió el nacimiento de la ingeniería
genética.
El modelo actual de nucleoide más completo es el de la bacteria E. coli.
Este modelo propone que en la célula, la molécula circular de DNA cerrada
de 4.64 _ 106 pb (aproximadamente, 4,300 genes) y de alrededor de 1
mm de longitud, se encuentra organizada en asas con superenrollamiento
plectonémico. Alrededor de 50% del DNA se encuentra, además, en superenrollamiento
toroidal, alrededor de proteínas similares a las histonas de
células eucariónticas (Gómez-Eichelmann y Camacho-Carranza, 1995).
El nucleoide es el equivalente de la cromatina de células eucariónticas
(véase más adelante). Sin embargo, esta estructura difiere de la cromatina
en dos características principales: 1) las proteínas básicas (tipo histona) presentes
en el nucleoide no forman estructuras regulares y compactas como
las histonas en los nucleosomas de la cromatina, sino que presentan una organización menos compleja y se disocian más fácilmente del DNA; 2) la tensión
helicoidal que compacta al DNA del nucleoide es tanto de tipo plectonémico
como toroidal, mientras que en la cromatina, la tensión
se produce principalmente por la interacción DNA-histonas (superenrollamiento
toroidal).
El nucleoide y la cromatina contienen, por tanto, el genoma del organismo;
es decir, el DNA que contiene la información genética que lo define.
El término cromosoma generalmente se refiere a una molécula de DNA del
genoma. Las bacterias, en general, tienen su genoma en una sola molécula,
o cromosoma; mientras que, en los eucariontes, el genoma se encuentra
distribuido en varias moléculas de DNA o cromosomas.
El genoma de los eucariontes se localiza en un complejo molecular de
DNA, RNA y proteínas, conocido como cromatina. El DNA de la cromatina,
que en las células humanas se encuentra en 23 pares de moléculas lineales
o cromosomas diferentes, tiene una longitud total de más de 1 metro. En
las células de humano, como en las células de todos los eucariontes, además
del DNA del núcleo, hay moléculas adicionales de DNA en organelos como
son las mitocondrias y los cloroplastos.
Cada cromosoma tiene un centrómero, dos telómeros y varias regiones
de inicio para la replicación. Los centrómeros son regiones generalmente
compuestas de secuencias pequeñas repetidas, que unen a las cromátidas
hermanas al huso cromático durante la mitosis. Los telómeros son secuencias
que se localizan en los extremos de cada cromosoma. Estas secuencias
son muy importantes para la replicación de moléculas lineales de DNA.
Los cromosomas son unidades dinámicas cuya apariencia varía con la
etapa del ciclo celular. Durante la interfase, cuando el DNA se transcribe y
se replica, los cromosomas de la mayoría de las células forman una malla
nuclear dispersa donde no es posible identificar a cada cromosoma.
En la fase de mitosis, los cromosomas forman estructuras más compactas
que se unen al huso cromático donde es posible identificar a cada par de
cromosomas.
Estas moléculas de DNA tan largas se encuentran organizadas dentro
de las células en estructuras muy compactas, de manera que ocupan el volumen
comparativamente pequeño del núcleo. A continuación, se describen
brevemente los diferentes niveles de organización molecular del DNA en la
cromatina.
El primer nivel de condensación del DNA se da por la interacción del
DNA con unas proteínas básicas llamadas histonas. En general, las proteínas
de la cromatina se dividen en tres clases principales: a) histonas nucleosomales:
H2A, H2B, H3 y H4; b) histonas internucleosomales o H1, y c) proteínas
no histonas. Las histonas tienen una gran proporción de residuos de
aminoácidos con carga positiva como arginina y lisina, lo que permite su
enlace electrostático al DNA cargado negativamente. Las no histonas comprenden
un número grande de clases diferentes de proteínas; sin embargo,
en la cromatina se encuentran en menor proporción que las histonas. Estas
proteínas son importantes para regular la expresión genética y para organizar
a la cromatina.