UNIDAD 4_Explicada

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III.- ORGANIZACIÓN DE LOS CROMOSOMAS. 
Unidad 4: Estructura y organización de los cromosomas. Cromosoma viral.Viroides.
Priones. Cromosoma bacteriano. Plásmidos. Estructura de la cromatina. Componentes de la
cromatina: ADN, ARN, proteínas. El nucleosoma como unidad básica. Superenrrollamiento.
Organización de la cromatina durante la replicación. Herencia citoplasmática. Genoma de
mitocondrias y cloroplastos.
Las formas acelulares están representadas por los virus, viroides y priones. Los viroides son
pequeñas moléculas circulares de ARN monocatenario, que constituyen los patógenos más
pequeños conocidos. Son causantes de varias enfermedades en las plantas. La forma
extracelular de un viroide es el ARN desnudo, sin cápside de ningún tipo. Lo que resulta
interesante, es que la molécula de ARN no contiene genes que codifiquen proteínas y por lo
tanto es totalmente dependiente de las funciones del hospedador para su replicación. Aunque
la estructura del ARN, es un círculo monocatenario, presenta una estructura secundaria tan
considerable, que parece una corta molécula bicatenaria con los extremos cerrados.
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Los priones representan el extremo opuesto a los viroides. Tiene una estructura celular
definida, pero parece estar constituido sólo por proteína. Aparentemente no contiene ácido
nucleico y si lo tuviera, no sería una molécula lo suficientemente grande, como para
codificar el tipo único de proteína que constituye el prión. No obstante, la partícula proteica
del prión es infecciosa y se conocen varios priones que causan enfermedades diversas en
animales, como el prurito lumbar de las ovejas o la encefalopatía bovina espongiforme
(enfermedad de las vacas locas), el kuru y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en el hombre.
Se ha descubierto que la célula hospedadora contiene en uno de sus cromosomas, un gen
que codifica una proteína muy similar a la proteína de los priones. Esta proteína se produce
en condiciones normales y se encuentra mayoritariamente en las neuronas. En apariencia, la
llegada del prión modifica esta proteína del hospedador durante su síntesis o posteriormente.
Por consiguiente, los priones no sólo alteran la función de las enzimas del hospedador, sino
que de alguna manera provocan que un gen normal de la célula, produzca más copias de la
proteína patogénica.
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Los virus, son elementos genéticos rodeados de una cubierta protectora mediante la cual se
desplaza de una célula a otra, se pueden replicar independientemente de los cromosomas de
una célula, pero no independientemente de las células. Los virus tienen un estado
extracelular y otro intracelular. En la fase extracelular, un virus es una partícula
submicroscópica que contiene ácido nucleico rodeado por proteína y ocasionalmente, por
otros componentes macromoleculares. En ese estado extracelular la partícula vírica,
denominada virión, es metabólicamente inerte, no realiza respiración, ni función biosintética
alguna. El virión es la estructura mediante la cual el genoma vírico se transporta, de la
célula en la que ha sido producido, a otra célula donde el ácido nucleico puede ser
introducido. Una célula infectada por un virus y en la que dicho virus se puede replicar, se
denomina hospedador. Una vez en el interior de la nueva célula, se inicia la fase intracelular.
En este estado ocurre la replicación vírica y se sintetizan los componentes que constituyen
la cubierta del virus. Cuando un genoma vírico se introduce y se reproduce en una célula
hospedadora, el proceso se denomina infección.
El tipo de ácido nucleico de un virus, la estructura de su envoltura, la manera de penetrar en
la célula huésped y su mecanismo de replicación, varían de un virus a otro. Un cromosoma
vírico puede ser una cadena sencilla o doble de ARN, o bien puede estar representado por
ADN lineal siempre doble, o circular (sencilla o doble). Se ha demostrado, la existencia de
proteínas de bajo peso molecular asociadas al ADN o ARN viral (proteínas VPg). Se las
encontró asociadas al genoma viral, en virus ARN de hélice sencilla y en virus de hélice
doble. La unión se realiza mediante un puente fosfodiéster con la base 5’ terminal, por lo
que se la asocia con una posible función en la replicación. Además el ADN viral en ciertas
ocasiones, se asocia a histonas o a proteínas similares de la célula huésped, formando un
cierto tipo de cromatina primitiva. La cantidad de información que un virus transporta en su
interior para asegurar la replicación vírica, varía.
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Los bacteriófagos se pueden reproducir siguiendo dos vías alternativas: el ciclo lítico o el ciclo
lisogénico. Como su nombre lo indica, el último paso del lítico involucra la lisis (y con ello la
muerte) de la célula huésped. En contraste, el ciclo lisogénico involucra la reproducción vírica
con la célula viva.
El primer paso para la infección viral que culminará con su multiplicación, es la fijación del
agente patógeno en la membrana de la célula. La fijación se realiza por medio de ligandos
virales, que son proteínas que se encuentran en la cápsula geométrica del virus, llamada cápside.
Estas proteínas interactúan con los receptores específicos de la superficie de la célula.
Cuando un virus penetra en una célula o inyecta su ácido nucleico en ella, este ácido nucleico
dirige la actividad de la célula para hacer muchas copias de sí mismo. A partir de esas copias se
realizan gran número de copias de proteínas de la cápside. A continuación, cada cápside se une
con un ácido nucleico y forma un nuevo virus. Así se obtienen miles de copias del virus que,
finalmente, hacen que la célula estalle y salen al exterior para infectar nuevas células. Este
proceso recibe el nombre de ciclo lítico. En el organismo infectado se desencadena una
enfermedad provocada por la destrucción de las células.
A pesar de que algunos virus pueden reproducirse mediante la vía lítica, también pueden
reproducirse sin destruir a la célula y mantenerse de manera latente o inactiva en el interior de la
misma. Esto es lo que se conoce como ciclo lisogénico. Las etapas iniciales de este ciclo, ocurren
de manera muy similar al ciclo anterior, con la excepción de que el ADN del virus se integra al
ADN de la célula huésped, por un proceso de recombinación.
En este estado, el virus se encuentra de manera latente en la célula, y el ADN viral se replica
junto con el ADN del huésped
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El virus vegetal esférico típico, tiene un diámetro de aproximadamente 30 nm. En el “virus del
mosaico del tabaco” (TMV) las partículas rígidas, en forma de bastón, miden 300 x 18 nm y es
portador de un genoma de ARN de alrededor de 6.400 nucleótidos encapsulados por 2.130 copias
de la cubierta proteica. La principal razón por la cual se tratan los virus vegetales, es el impacto
negativo que las enfermedades virales tienen en la producción de los cultivos. Históricamente, los
virus han sido percibidos como una amenaza casi exclusiva a la sanidad humana, animal y
vegetal. Sin embargo, los recientes progresos como resultado de un mayor entendimiento de las
interacciones virus-hospedante, han transformado a los virus en importantes herramientas
biomédicas y biotecnológicas. Por ejemplo, los virus vegetales se usan para producir en las
plantas, grandes cantidades de proteínas de interés y para desarrollar vacunas seguras y de bajo
costo contra virus humanos y animales.
Los virus vegetales son parásitos biotróficos obligados, por lo que sus ciclos de vida comienzan
con la penetración del virión a la célula. Los virus vegetales no pueden penetrar por sí solos la
cutícula y la pared celular de las plantas. Se cree que el virión ingresa al citoplasma de la célula en
forma pasiva, a través de heridas causadas por daño mecánico en la cutícula y pared celular. El
paso siguiente en la infección viral, es la remoción parcial o total de la cubierta proteica del virión
en el citoplasma. Luego, la célula interviene en la expresión del genoma viral al proveer el aparato
de transcripción (para los virus de ADN) y un aparato de traducción (paratodos los virus). Los
virus de ADN deben ser transportados al núcleo para la transcripción y de esta manera tener
acceso a las proteínas celulares, necesarias para la producción de ARN mensajero a partir de ADN
viral. La traducción de ARN viral en el citoplasma, produce proteínas virales que son necesarias
para completar el ciclo de vida del virus.
Todos los virus deben formar al menos tres tipos de proteínas: 1) proteínas de replicación,
esenciales para la producción de ácidos nucleicos, 2) proteínas estructurales que conforman
la cubierta proteica y otros componentes de los viriones y 3) proteínas de movimiento, que
sirven de intermediarias en el transporte de los virus entre las células vegetales.
Las proteínas de replicación viral se combinan con las proteínas celulares para producir un
complejo de proteínas, que fabrican múltiples copias del genoma viral. Estos nuevos
genomas, interactúan con las proteínas estructurales para formar nuevos viriones.
El paso siguiente en el ciclo de reproducción viral, es el movimiento del virus a las células
vecinas. Dependiendo del tipo de virus, el transporte de los genomas virales o los viriones a
las células vecinas, se produce a través de pequeños canales, llamados plasmodesmos, que
forman conexiones entre las células. Muchos virus producen proteínas de movimiento que
modifican los canales plasmodesmáticos y posibilitan el movimiento viral hacia las células
circundantes.
El proceso de movimiento de célula a célula es relativamente lento: el tiempo de
multiplicación viral en una célula y su posterior movimiento a otra, varía entre una y varias
horas. Para poder colonizar exitosamente toda la planta, el virus necesita ingresar al sistema
vascular.
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En el retrovirus, hay una inversión del flujo habitual de la información del ADN y RNA y la
enzima que la realiza es la transcriptasa inversa. El genoma retroviral es una cadena simple
de ARN, que codifica la enzima y otras pocas moléculas proteicas, empaquetadas con el
genoma de ARN en cada virus.
En el ciclo vital del retrovirus, cuando el genoma de ARN de cadena simple entra a la célula
y la infecta, la enzima retrotranscriptasa copia el genoma de ARN en una molécula de ADN.
La copia de ADN, entra en el núcleo de la célula infectada donde se integra en el genoma de
la célula huésped. La copia integrada en el ADN recibe el nombre de provirus.
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La información del genoma retroviral ha sido tratado en la Unidad III parte II
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El ADN provírico contiene potentes elementos promotores e intensificadores en las
secuencias U5 y U3 en los extremos. El promotor U5 utiliza el aparato de transcripción de la
célula huésped para dirigir la transcripción de los genes víricos (gag, pol y env). Los
productos de estos genes forman las nuevas partículas retrovíricas. El retrovirus al estar
integrado en el genoma del huésped se replica con el ADN. Puede que el retrovirus no mate
a la célula huésped, pero puede utilizarla para fabricar nuevos virus para nuevas infecciones.
El retro virus puede producir cáncer de dos maneras diferentes. Por un lado el ADN
provírico se puede integrar por casualidad cerca de un protooncogen de la célula huésped.
Así los promotores e intensificadores del provirus estimulan la transcripción del
protooncogen. También el retrovirus puede tomar una copia del protooncogen del huésped e
integrarla en su genoma. El nuevo oncogén vírico puede mutar durante el proceso de
transferencia al virus o puede expresarse en cantidades anormales por acción del promotor
vírico. Un oncogén transportado por un retrovirus se denomina v-onc y la versión normal del
gen se denomina c-onc. Los retrovirus que transportan estos genes pueden infectar células
normales y transformarlas en células tumorales.
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El cromosoma representa al material hereditario organizado, con complejidades que van desde
moléculas desnudas de ácidos nucleicos, hasta asociaciones complejas con proteínas histónicas y
no histónicas. La función principal es la de conservar, transmitir y expresar la información
genética que contiene.
Las bacterias son procariontes, formadas de afuera hacia adentro por una pared celular que da
forma, una membrana plasmática que representa una barrera de permeabilidad. A pesar de que
los procariontes carecen de membrana nuclear, compactan su genoma en un área relativamente
pequeña, conocida con el nombre de nucleoide. Hasta finales de la década de los ochenta, el
genoma bacteriano se pensaba que estaba constituido por una sola molécula de ADN circular de
gran tamaño (aproximadamente 400 kb), en donde residían los genes para una supervivencia
autónoma. Por analogía con los eucariontes, esta molécula se denomina cromosoma.
Se conoce el tamaño y forma del genoma de más de un centenar de especies procariontes. La
primera novedad que aportan estos estudios es relativa al tamaño del genoma, el cual oscila entre
560 Kb y 9500 Kb, dependiendo de la especie de que se trate. En lo general los procariontes
“especialistas” (aquellos que ocupan un nicho muy restringido, con genomas promedio 1900
Kb), tienden a tener un tamaño pequeño de genoma. Por el contrario procariontes “generalistas”
(con capacidades metabólicas amplias y pocos requerimientos por compuestos orgánicos en su
medio de cultivo), tienden a tener genomas más grandes (promedio 4900 Kb). A nivel de especie,
es difícil el trazar reglas absolutas con respecto a tamaño de genoma. Si bien algunas especies
como Borrelia burgdorferi muestran solo pequeñas variaciones en el tamaño del genoma (910-
925 Kb), otras muestran variaciones más significativas como Clostridium perfringens (3070-
3650 Kb), Clostridium beijerinckii (4150- 6700 Kb), Pseudomonas aeruginosa (5900-6600 Kb)
y Escherichia coli (4600-5300 Kb).
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No solamente el tamaño del genoma es variable entre procariontes, también lo es su
geometría. Si bien la mayoría de los cromosomas muestra una geometría circular, algunas
especies presentan cromosomas lineales.
Otra creencia que se ha derrumbado, es referente a la presencia de un solo cromosoma por
especie procarionte. El número de cromosomas circulares es de dos, en Vibrio cholerae, dos
a tres diferentes en Azospirillum brasilense y tres para la arqueobacteria Halobacterium.
En E. coli puede ocurrir formas extremas de compactación del nucleoide en respuesta a
condiciones que provocan daño moderado en el genoma. Estos datos muestran que algunas
características que se creían exclusivas del genoma de eucariontes, como presencia de los
replicones múltiples, cromosomas lineales, ploidía elevada y un alto grado de compactación
del genoma, también se encuentran en procariontes. Sin embargo, recientemente se
describió la presencia de un organelo llamado acidocalcisoma, en la bacteria Agrobacterium
tumefaciens. Estos organelos de naturaleza ácida, son responsables del almacenamiento de
calcio y poseen una membrana capaz de intercambio activo. Dado que existen organelos
similares en eucariontes unicelulares, como tripanosomas y algunas algas, se sugiere que el
origen de estos organelos antecede a la división de los linajes procariónticos y eucariónticos.
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En E. coli el cromosoma mide 1100, pero Mycoplasma hominis sólo mide 260  El
cromosoma de E. coli, está altamente organizado en dominios como resultado de
plegamientos y a su vez súper enrollados. El número y tamaño de los dominios puede ser
variable, se estiman entre 100 + / - 30 y la longitud de los lazos estimada en 13  (40 kpb).
Algunos autores suponen la existencia de ARN en la base de los dominios, ejerciendo un
papel estructural en el empaquetamiento de los dominios. Otros autores niegan su
participación, pero admiten que fuerzas desconocidas serían las responsables de dicha
estructura.
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En E. coli el cromosoma mide 1100, pero Mycoplasma hominis sólo mide 260  El
cromosoma de E. coli, está altamente organizado en dominios como resultado de
plegamientos y a su vez súper enrollados. El número y tamaño de los dominios puede ser
variable, se estiman entre 100 +/ - 30 y la longitud de los lazos estimada en 13  (40 kpb).
Algunos autores suponen la existencia de ARN en la base de los dominios, ejerciendo un
papel estructural en el empaquetamiento de los dominios. Otros autores niegan su
participación, pero admiten que fuerzas desconocidas serían las responsables de dicha
estructura.
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Se destaca además la presencia de varias clases de proteínas, algunas de ellas similares a las
proteínas eucarióticas, capaces de unirse al ADN formando una especie de cromatina
primitiva.
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Si bien desde 1964 se conocía la existencia de otros replicones en el genoma bacteriano,
llamados plásmidos, la mayoría de los reportados eran pequeños en relación al cromosoma
(menores de 50 Kb). Estos elementos genéticos extracromosómicos, no tienen forma extracelular
y tiene la capacidad de multiplicarse de forma independiente de los cromosomas de la célula
huésped. Casi todos son de ADN bicatenario, la mayor parte circulares, pero también se conocen
lineales. La distinción entre plásmidos y cromosomas estaba basada en el pequeño tamaño de
estos (1 a 2% del genoma). Esta distinción comenzó a borrarse con el descubrimiento de
múltiples plásmidos en Rhizobium y en otras bacterias, cuyo tamaño oscila entre 100 y 2000Kb,
representando del 25 al 50% del genoma. En otras bacterias como en Borrelia burgdorferi, si
bien el tamaño de los plásmidos es menor (entre 10 y 50 Kb), su número (siendo 12 plásmidos
lineales y 9 circulares) representa un 40% del genoma.
El tamaño que se presentan en la naturaleza varía de 1000 pb a más de un millón de pb. Los
diferentes plásmidos se presentan en la célula con un número particular de moléculas, lo que se
denomina número de copias. Se puede presentar de 1 a 3 copias, mientras que otros pueden estar
presentes en más de 100 copias. El número de copias está controlado por genes del plásmido y
por interacciones entre el hospedador y el plásmido. Algunas células bacterianas pueden contener
varios tipos diferentes de plásmidos, en algunos casos más de 10.
Los plásmidos pueden portar una amplia variedad de genes, con la única limitación, que los
genes que transportan aseguren su propia replicación y no interfieran con la supervivencia de los
plásmidos. Dentro de los genes que suelen portar los plásmidos, se encuentran genes que
confieren a la bacteria la capacidad de ocupar nichos ecológicos nuevos (como genes para
resistencia a antibióticos, degradación de compuestos aromáticos o la capacidad de fijar
nitrógeno) o genes necesarios para la replicación y la transferencia (por ejemplo conjugativa) del
propio plásmido.
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Los plásmidos bacterianos, se pueden clasificar en dos tipos principales:
Infecciosos o conjugativos, capaces de controlar su propia transferencia, de una célula a otra
No infecciosos o no conjugativos, incapaces de controlar su transferencia a otras células.
Entre los plásmidos infecciosos los de resistencia o plásmidos R, confieren resistencia a los
antibióticos y a otros inhibidores del crecimiento. Estos plásmidos pueden llevar una gran variedad
de genes de resistencia. En general estos genes codifican proteínas que inactivan el antibiótico o
afectan el transporte hacia el interior de la célula.
Los factores de patogeneidad de una gran variedad de bacterias están codificados en plásmidos. Por
ejemplo en E.coli, las cepas enteropatógenas colonizan el intestino delgado y producen toxinas que
causan síntomas de diarrea.
La colonización en el intestino, depende de una proteína celular llamada factor antigénico de
colonización (CFA) codificada por el plásmido. Además se conocen al menos dos toxinas
codificadas por el plásmido: la hemolisina que lisa los glóbulos rojos y la enterotoxina que induce a
la masiva secreción de agua y sales al intestino. La enterotoxina es la responsable de la aparición de
la diarrea.
El factor sexual F en las bacterias, se comporta como un determinante genético con replicación
autónoma y estructuralmente independiente del cromosoma bacteriano y regula la conjugación.
Todos los plásmidos descriptos se consideran conjugativos.
Las bacteriocinas, son péptidos que actúan matando sin lisar las células. Se nombran de acuerdo al
organismo que las produce. En E. coli por ejemplo, se produce colicilinas. Los plásmidos col
pueden ser conjugativos o no.
Borrelia burgdorferi además de tener un cromosoma y varios plásmidos lineales, también posee
plásmidos circulares. La coexistencia en la misma célula de replicones circulares y lineales se
presenta también en Agrobacterium, Azozpirillum y Streptomyces. Borrelia burgdorferi produce la
enfermedad de Lyme, la que es transmitida por las garrapatas al hombre y a otros animales. En el
hombre causa dolores de cabeza, de espalda, escalofríos, desgano. Streptomyces lividans tiene un
cromosoma lineal, pero contiene proteínas que unen los extremos del cromosoma.
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El ADN de los eucariotas está empaquetado eficientemente en el núcleo. El ADN se
empaqueta en una estructura muy compacta con la ayuda de proteínas cargadas
positivamente (básicas) muy especializadas, llamadas histonas y proteínas cromosómicas no
histónicas con carga positiva menor. La estructura que se forma entre estas proteínas, el
ADN y ARN recibe el nombre de cromatina.
En la cromatina, la masa total de histonas es aproximadamente igual al de ADN. Las
histonas son proteínas pequeñas, formadas por una gran proporción de aminoácidos
cargados positivamente (lisina y arginina). La carga positiva ayuda a las histonas a unirse
firmemente al ADN, el que está cargado muy negativamente debido a los grupos fosfatos de
los nucleótidos. Hay cinco tipos de histonas en las células eucariontes, las que se clasifican
en dos grupos: las histonas nucleosómicas y las histonas H1. Las nucleosómicas, son
pequeñas de entre 102 y 135 aa responsables del plegado del ADN. Estas 4 histonas se
denominan: H2A, H2B, H3 y H4. Estas dos últimas son las más conservadas durante la
evolución, lo que sugiere que en la función de éstas proteínas participan casi todos los aa y
un cambio en cualquier posición resulta deletéreo para la célula. Así por ejemplo H4 de
guisante y de timo de ternera no difieren más que en dos aa. Las histonas H1, están
formadas por 220 aa y están menos conservadas evolutivamente. Además de las cinco
fracciones de histonas mencionadas, existen otras específicas de tejidos, como la H5 rica en
lisina que sólo se encuentra en eritrocitos nucleados de vertebrados no mamíferos.
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Las histonas cumplen un papel primordial en el empaquetamiento en forma ordenada del
ADN, en el núcleo. La unidad de empaquetamiento se conoce como nucleosoma, que le
confiere un aspecto de cadenas de cuentas. Esta estructura se consigue por digestión del
ADN, mediante un corto tratamiento con desoxirribonucleasa que sólo degrada el ADN
entre los nucleosomas o bien, mediante un tratamiento salino débil para extraer la histona
H1. La cadena de cuentas o collar de cuenta está representada por una fibra de 10 nm de
diámetro y es el primer nivel de compactación de la cromatina. La relación de compactación
es de 7:1, pero esta fibra no se encuentra en ningún estadio de vida de la célula, pues surge
como resultado de la aplicación de técnicas especiales.
Cada partícula tiene forma de disco de 11 nm de diámetro y contiene dos copias de cada una
de las histonas nucleosómicas. Este octámero de histonas forma un núcleo proteico
alrededor del cual, la hélice de ADN de doble cadena, da dos vueltas. Cada nucleosoma está
separado del siguiente por una región de ADN espaciador de longitud variable entre 10 hasta
poco más de 100 pares de nucleótidos. Los nucleosomas se repiten a intervalos de 200 pares
de nucleótidos, así un gen de 10.000 nucleótidos estaría asociado a 50 nucleosomas.
Parece que no existe una localización preferencial de los nucleosomas en las secuencias de
ADN. Los nucleosomas se empaquetan uno sobre otros formando fibras de un diámetro de
30 nm. La histona H1 de la cual hay 6 subtipos en mamíferos es responsable del
empaquetamientoformando la fibra de 30 nm. Posee una zona globular central, muy
conservada evolutivamente, unida a los brazos amino y carboxilo terminales, menos
conservados. Cada histona H1 se une por su región globular a un lugar único del
nucleosoma y los brazos entran en contacto con las histonas del núcleo o con otras histonas
de nucleosomas adyacentes. La fibra de 30 nm. que se forma por empaquetamiento del
collar de cuentas o cadena de cuentas, recibe el nombre de solenoide. El solenoide
representa el segundo nivel de compactación de la cromatina, con una relación de 42:1
característico de los núcleos interfásicos.
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Las micrografías electrónicas han demostrado, que los cromosomas tienen un esqueleto central
desde donde se proyectan lazos de ADN. Cada lazo comienza y termina en el esqueleto, el que
está formado principalmente por la topoisomerasa II. Esta enzima tiene una participación
fundamental, durante la replicación, por rupturas transitorias del ADN, eliminando así los
enrollamientos que ocurren en el ADN durante la síntesis. Las mejores pruebas sugieren, que los
solenoides se disponen en lazos que emanan de la matriz central, de forma espiral. En este
modelo de los lazos parece haber regiones especiales o secuencias llamadas regiones de unión al
esqueleto o SAR. Los lazos en Drosophila tiene una tamaño que varía entre 4,5 y 112 Kb. Los
Sar están en las regiones del ADN que no se transcriben.
Cuando se analiza el tercer nivel de compactación de la cromatina (7000:1), bucles o lazos,
propia de los cromosomas metafásicos, se destacan las proteínas cromosómicas no histónicas.
Laemmli y col. en 1977 destacaron la existencia de una estructura proteica no histónica, que
forma una especie de armazón o esqueleto del cromosoma eucariótico. El análisis de
cromosomas metafásicos humanos desprovistos de histonas, ha revelado lo siguiente:
El armazón consiste en dos estructuras fibrosas, una por cada cromatidio unidas al centrómero
El ADN está unido al armazón proteico en forma de lazos o dominio de 45 a 90 kpb
Los lazos están sujetos en sus bases por proteínas no histónicas.
Los lazos vecinos se mantienen juntos mediante interacciones proteínas –proteínas o proteínas-
ADN formando un entramado o armazón.
Las proteínas histónicas por lo tanto se encargan de empaquetar el ADN en la estructura
nucleosomal y las proteínas no histónicas organizan la base de los lazos.
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Respecto a la naturaleza de las proteínas no histónicas que constituyen el armazón, Lewis y
Laemmli (1982) demostraron que son de dos tipos: la Sc-1 (170 Kd) y la Sc-2 (135 kd). La
primera, es la proteína no histónica más frecuente en el cromosoma metafásico, se estima
que hay tres copias por lazo de ADN y ha sido identificada como la topoisomerasa II. Se
encuentra sólo a lo largo del eje cromatídico y no se detecta unida a la cromatina de los
lazos radiales. Otras de las proteínas cromosómicas no histónicas, son las proteínas de alta
movilidad electroforética o HMG cuyas características generales son: alto contenido en
aminoácidos básicos 25% o más; alto contenido de aminoácidos ácidos 20-30%; alto
contenido en prolina. Las más importantes de éstas son las HMG-1 (PM. aproximadamente
29.000 d); HMG-2 (PM. aproximadamente 29.000 d); HMG-14 (PM. aproximadamente
10.700 d); y HMG-17 (PM. aproximadamente 9.200 d). Se han encontrado en mamíferos,
aves y peces. La proporción relativa de proteínas HMG total: ADN es de 0.03:1. El papel
estructural y funcional de la HMG-1 y 2 es diferente a las HMG-14 y 17. Hay una molécula
de HMG1 ó 2, cada 15 nucleosomas y una molécula de HMG14 ó 17, cada 10 nucleosomas.
Las HMG-1 y 2 se encuentran tanto en el núcleo como en el citoplasma y su asociación con
los nucleosomas no está bien definida. Las HMG 14 y 17 se encuentran en el núcleo y están
claramente asociadas a los nucleosomas. Desde el punto de vista funcional hay evidencias
experimentales de que las proteínas HMG-1 y 2 pueden estar implicadas en el proceso de
replicación, mostrando afinidad por las hélices sencillas de ADN. Las proteínas HMG 14 y
17 parecen jugar un papel importante en la regulación de la transcripción.
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Las diapositivas muestran esquemáticamente, los niveles de compactación que experimenta 
el material hereditario en los organismos eucariontes.
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Las diapositivas muestran esquemáticamente, los niveles de compactación que experimenta 
el material hereditario en los organismos eucariontes.
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Las diapositivas muestran esquemáticamente, los niveles de compactación que experimenta 
el material hereditario en los organismos eucariontes.
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En el núcleo interfacito se diferencian dos tipos de cromatina: una forma altamente condensada,
la heterocromatina y una menos condensada, la eucromatina. La eucromatina existe bajo dos
formas: en forma de cromatina activa que es la menos condensada y el resto es eucromatina
inactiva, que está más condensada que la eucromatina activa y menos que la heterocromatina.
El análisis de las proteínas cromosómicas de la cromatina activa sugiere:
La cromatina H1 parece unirse con menos fuerza.
Las histonas nucleosómicas están altamente acetiladas en la cromatina activa, en comparación
con las histonas de la cromatina inactiva. La acetilación de algunas lisinas de las histonas H3 y
H4 disminuye el enrollamiento, lo que favorece la incorporación de los factores de transcripción
al promotor del gen. Mientras que la desacetilación provoca el efecto contrario.
La metilaciones y demetilación producen efectos contrarios a los de acetilación y desacetilación
respectivamente. El agregado de grupos metilo a una de las lisinas de la H3, aumenta el
enrollamiento de la cromatina
La histona nucleosómica H2B parece estar menos fosforilada en la cromatina inactiva. Las
fosforilaciones y desfosforilaciones de ciertas serinas y treoninas, también producen efectos
opuestos a los de la acetilación y desacetilación.
Numerosas investigaciones revelan, que el grado de enrollamiento de la cromatina es regulado
por agregado o remoción de los grupos metilo, acetilo o fosfatos en las colas de las histonas, las
cuales están expuestas dado que se proyectan hacia fuera de los nucleosomas
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Ciertas observaciones han revelado patrones de herencia que no reflejan los principios
mendelianos y algunas expresan una herencia extranuclear sobre el fenotipo. Es importante
distinguir, entre la herencia citoplasmática debido a la información genética contenida en el ADN
de las mitocondrias o de los cloroplastos o herencia de orgánulos, de lo que es, la influencia
materna en la que, tratándose de una herencia estrictamente nuclear, hay una influencia de la
madre vía citoplasma del gameto.
Se conoce como herencia citoplasmática (extracromosómica o no mendeliana), aquella que está
controlada por determinantes hereditarios citoplasmáticos, que reciben el nombre de plasmatipo o
plasmón. El conjunto de genotipo y plasmatipo es el idiotipo. Se denomina plasmagén, a cualquier
determinante hereditario extranuclear capaz de autorreproducción y que recibe nombres distintos,
según el orgánulo citoplasmático en el que se encuentre. (condriogen y plastogen).
El efecto materno implica que el fenotipo de un descendiente para un carácter dado, está bajo el
control de productos génicos nucleares presentes en el huevo. La información genética del gameto
de la hembra se transcribe y los productos génicos se encuentran en el citoplasma del óvulo.
Después de la fecundación, estos productos tienen efecto sobre caracteres que se establecen
durante el desarrollo temprano. Un ejemplo de este tipo de herencia, se encuentra en la polilla
mediterránea de la harina Ephestia kuehniella. Las larvas de tipo silvestre tienen la cutícula
pigmentada y ojos marrones como consecuencia del gen dominante A. El pigmento proviene de
una molécula precursora, la quinerunina que deriva del aminoácido triptófano. Una mutación
interrumpe la síntesis y en homocigosis da lugar a larvas con ojos rojos y poca pigmentación. Sin
embargo, el resultadodel cruzamiento Aa x aa depende de que padre lleve el alelo dominante.
Cuando el padre es el heterocigota, entre las larvas se observa una proporción 1:1 para ojos
marrones y ojos rojos, de acuerdo a la segregación mendeliana. Sin embargo cuando la hembra es
la heterocigota, todas las larvas son pigmentadas y tienen ojos marrones a pesar de que la mitad de
ellas son aa. A medida que estas larvas llegan a adultas, la mitad desarrollan gradualmente ojos
rojos, estableciéndose la proporción 1:1. Se explican estos resultados, admitiendo que los oocitos
Aa sintetizan el pigmento, que se acumula en el ooplasma antes de la finalización de la meiosis.
Aún en la descendencia aa cuyas madres eran Aa, este pigmento se distribuye en el
citoplasma de las células de la larva en desarrollo, por lo que expresa pigmentación y ojos
marrones. Finalmente el pigmento se diluye entre las muchas células y se consume dando
lugar en el adulto a ojos rojos. Esto representa un ejemplo del efecto materno de un
producto génico almacenado en el citoplasma, que influye en el fenotipo de la larva y al
menos temporalmente anula el genotipo de la descendencia
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3030
Casi todos los ADN de los cloroplastos (ADNcp) estudiados en angiospermas, gimnospermas,
helechos, briofitas y algas, tienen una organización unicircular bicatenaria y un tamaño medio que
oscila entre 100 y 160 Kpb. Pocas especies de angiospermas, tienen más de 160 kpb. En las algas
se da un rango de variación muy amplio (85 – 292 kpb), sin incluir al género Acetabularia de más
de 2000 kpb y una organización muy compleja.
El número de moléculas puede ser muy variable: desde 10 a 12 en Euglena a más de 200 en
plantas superiores. El tamaño del ADNcp es mucho mayor que el genoma mitocondrial. Al parecer
la mayor diferencia, se debe a la presencia en el ADNcp de muchas secuencias largas de
nucleótidos no codificantes, tanto entre como dentro de los genes. También hay duplicaciones de
muchas secuencias de ADN. En el alga verde Chlamydomonas hay unas 75 copias de ADNcp por
orgánulo y cada copia consta de 195.000 pb (195kb). La secuenciación del ADNcp del tabaco,
permitió conocer que el número de genes estimados es de 150, cuatro clases de genes ARNr (16S,
23S, 4.5S, y 5S), 30 genes ARNt y 90 genes que codifican para proteínas. Los ribosomas tienen un
coeficiente de sedimentación menor de 70S. Las proteínas ribosomales están codificadas por el
ADNcp y por el ADN nuclear y son diferentes a las de los ribosomas citoplasmáticos. Sin
embargo, no se ha encontrado el gen para el equivalente al factor σ. Seis de los genes ARNt y
nueve genes que codifican para proteínas tienen largos intrones (300 - 2.500 pb). Salvo alguna
excepción, el contenido génico es común a todos a todos los genomas cloroplásticos.
La ordenación de los loci contenidos en el ADNcp es variable de unos genomas a otros, lo cual
parece indicar, que se han producido reordenamientos (inversiones, deleciones) durante la
evolución del ADNcp. También hay diferencias estructurales importantes, en cuanto se refiere a la
existencia de intrones. Por ejemplo en Euglena, la mayoría de los genes que codifican para
proteínas tienen intrones, mientras que en cloroplastos de angiospermas, lo normal es que no haya
intrones. Por el contrario, los genes de ARNt de Euglena carecen de intrones, sin embargo, se han
detectado en varios casos en angiospermas (de hasta 451 a 949 pb).
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El ADNmt es una molécula circular, de tamaños diferentes. En una serie de animales, incluida la
especie humana, el ADNmt consta de 16000 a 18000 pb (16 a 18kb). Las plantas exceden
típicamente este tamaño (250 a 2500 kb). Los vertebrados tienen de 5 a 10 moléculas de ADNmt
por orgánulo, mientras que las plantas tienen entre 20 y 40 copias por orgánulo. El ADNmt de
levadura y mamíferos tienen esencialmente el mismo juego de genes, aunque difieren entre sí y
con el ADNmt de plantas en su organización: cantidad de ADN no codificador, número y
ordenación de los genes, presencia o ausencia de intrones y número de moléculas de ADN por
mitocondria. Así en la especie humana no hay intrones, no hay repeticiones de genes, ni ADN
espaciador intergénico. En Saccharomyces la molécula de ADN es más grande y los genes tienen
intrones y ADN intergénico.
Aunque la mayoría de las proteínas presentes en la mitocondria están codificadas por ADN nuclear,
unas pocas lo están por el ADNmt y son sintetizadas por un sistema de traducción específico
(traducción mit). Los ARNr y ARNt de este sistema son codificados por el ADNmt.
Una célula típica de levadura puede tener de 1 a 45 mitocondrias en su citoplasma, cada
mitocondria posee entre 10 y 30 nucleoides, y a su vez cada nucleoide está constituido por 4 ó 5
moléculas de ADNmt doble hélice circular. Por tanto, una célula de levadura puede llegar a tener en
su interior, 45 x 30 x 5 = 6750 moléculas de ADNmt doble hélice. El número de mitocondrias de
las células humanas, varia de unos tejidos a otros y dentro de cada mitocondria, hay un nucleoide
que contiene 5 moléculas ADNmt doble hélice circular. En el caso de las células de mamíferos, el
número total de moléculas de ADNmt es muy elevado (103 – 104), dependiendo del número de
mitocondrias presentes en la célula y del número de moléculas de ADN por mitocondria (entre 2 y
10, con un valor medio de 5). En los oocitos maduros de ratón puede haber en total más de 100.000
moléculas de ADNmt.
A diferencia de lo que ocurre con el genoma nuclear, en el caso del ADN mitocondrial no se
numeran los pares de bases de los genes, sino que se numera todo el genoma desde la posición 1
hasta la última, que en el caso de la " secuencia Cambridge " es la posición 16569.
Aunque existen genes sobre ambas cadenas, la cadena que se representa por convenio, y
sobre la que se realiza la numeración del genoma mitocondrial es la cadena L. Otras
variantes tienen distinto tamaño; así el DNA mitocondrial "secuencia africana" tiene
16559, mientras la "secuencia sueca" tiene 16570 bp. La secuencia de bases en el ADNmt,
muestra una extremada economía de organización genética, ya que los genes no tienen
ninguna o pocas secuencias no codificadoras entre ellos.
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En muchos animales, las dos hebras que componen el ADNmt difieren en densidad, porque
las bases nitrogenadas no están distribuidas de forma equilibrada en ambas hebras. Esto
hace que una hebra sea más "pesada" (H) y otra más "liviana" (L).
El ADN mt humano en humanos, es un ADN circular de 16.600 pares de bases, tiene 37
genes, que podemos agrupar por sus productos:
- 13 genes que codifican para mRNAs y por lo tanto, para 13 proteínas.
- 22 genes que codifican para los 22 tARNs
- 2 genes que codifican para los dos rRNAs mitocondriales
La cadena H es portadora de 12 genes para proteínas, 2 para rRNAs y 14 para los tARNs.
Ello totaliza 28 genes de los 37 que tiene la mitocondria humana.
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Cada cadena tiene su propio origen de replicación y de transcripción. El promotor de la
transcripción de la cadena H, se encuentra entre las posiciones 531 y 568 del DNA
mitocondrial. Este promotor dirige la formación del complejo de transcripción que formará
la burbuja donde se sintetiza el RNA, denominado transcrito primario de la cadena H. El
transcrito primario de cada cadena, sufre un proceso de corte por acción de nucleasas
(RNAsas) muy específicas, que producen una colección de RNAs. Estos RNAs reciben el
nombre de " inmaduros o precursores" y no son funcionalmente activos. Estos RNAs
“precursores" sufrirán procesos de maduración consistentes en transformaciones catalizadas
enzimáticamente y originarán las formas maduras de los tRNAs, mRNAs, y rRNAs. Los
productos primarios de la transcripción al ser procesados, dan lugar al rARNs 12S y 16S, a
los tARNs y a un cierto número de mARNs, que no son modificados en su extremo 5’, pero
sí son poliadenilados en su extremo 3’. Además, en muchos casos, los codones de
terminación no están codificados en el propio ADNmt, sino que se crean después de la
transcripción por la poliadenilaciónde los ARNm; por ejemplo...UA+
poliA→UAA/AAA.A.
También, el sistema mitocondrial presenta excepciones a la universalidad del código tanto
en mamíferos como en Sacharomyces y Neurospora.
UGA codifica para triptófano y no para terminación, AUA codifica para metionina en vez de
isoleucina y AGA y AGG actúan como codones de terminación en lugar de codificar para
arginina. Además, AUA, y posiblemente AUU, actúan como codones de iniciación junto al
AUG.
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El ADN mitocondrial de mamíferos se replica de forma semiconservativa pero de manera
particular, ya que existen dos orígenes de replicación diferentes, uno para la hélice H
(pesada) y otro para la hélice L (ligera).
Sin embargo, se han identificado tres componentes que forman el replisoma mitocondrial
mínimo en humanos; la helicasa, la polimerasa γ (pol γ), y la SSB mitocondrial. La helicasa
abre la hebra doble del ADN (dsDNA) en dos cadenas sencillas (ssDNA), una de ellas, la
cadena líder es utilizada como molde por la polimerasa pol γ y la otra, la desplazada, es
rápidamente recubierta por la mtSSB.
Hoy en día el modelo de replicación del mtDNA está aun en debate. Si bien no existe una
explicación clara cómo ocurre la replicación del ADN mitocondrial humano, existen varios
modelos que intentan explicar dicho fenómeno. Se consideran tres modelos: el modelo de
replicación acoplada, el modelo RITOLS y el modelo de desplazamiento de banda.
1.- Modelo de replicación acoplada: la síntesis del ADN ocurre de forma unidireccional y
asimétrica, con dos orígenes de replicación distintos: uno en el punto OH de la denominada
cadena líder y otro en el OL de la llamada cadena retrasada. La replicación comienza en
ambas cadenas a la vez con la incorporación del RNA cebador, sintetizado por la ARN
polimerasa y luego continua con la incorporación de los nucleótidos.
2.- Modelo RITOLS, en el cual la replicación comienza en punto OH en la cadena líder
mientras que en la cadena retrasada se generan fragmentos de ARN. Es decir, la replicación
del ADN mitocondrial humano es un dúplex en los que una de las dos cadenas se encuentra
recubierta por ARN
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3.- Modelo de desplazamiento de banda es similar al modelo RITOLS ya que la síntesis del ADN
se da en ambas cadenas, pero con la diferencia de que no se generan fragmentos de Okazaki.
Como en el RITOLS, para que la replicación en ambas cadenas ocurra de forma coordinada,
existen dos puntos de comienzo de la replicación: OH en la cadena líder y OL en la cadena
retrasada. La replicación se inicia en OH donde la helicasa, abre la cadena doble de ADN en dos
cadenas sencillas. En la cadena líder la ARN polimerasa sintetizará un pequeño fragmento de
ARN, el primer de ARN (morado), este fragmento se utilizará como cebador para la ADN
polimerasa, que replicará el ADN desde la dirección 5’ a la 3’ mientras utiliza la cadena líder
como molde y sintetiza una cadena sencilla de ADN complementaria, generando como resultado
una cadena doble de ADN copia del genoma original. Mientras tanto la cadena retrasada es
rápidamente recubierta por unas proteínas llamadas SSB; estas proteínas aseguran la coordinación
de la síntesis del ADN e impiden la transcripción del RNA por parte de la ARN polimerasa,
inhibiendo el comienzo de la replicación de la cadena retrasada. De esta forma, cuando se han
replicado 2/3 partes de la cadena líder y la pol γ ha sobrepasado el punto OL, se genera un lazo de
replicación en la cadena retrasada que sería reconocido y utilizado por la ARN polimerasa para
sintetizar un fragmento de ARN. Este fragmento marca el inicio de la replicación de la cadena
retrasada, donde la polimerasa tendría que replicar un ADN de cadena sencilla recubierto por SSB,
por lo que el sistema cambia significativamente con respecto a la replicación de la cadena líder.
Este mecanismo implica que la replicación de ambas cadenas está interconectada al comenzar la
síntesis de la cadena retrasada cuando se han replicado 2/3 del total de la cadena líder. Después de
este paso la elongación de ambas cadenas continua hasta haber terminado el genoma por
completo, resultado en dos copias idénticas del ADN original.
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Ciertas enfermedades están relacionadas con anomalías en el ADNmt. La acumulación de
mutaciones en el ADNmt a lo largo de la vida, dan lugar a una heterogeneidad
(heteroplasmia) en la información genética mitocondrial, que afecta a la maquinaria
energética celular de los diferentes tejidos y órganos. Pero la heteroplasmia puede estar
presente ya desde las primeras fases embrionarias, afectando predominantemente al sistema
nervioso
Las mutaciones mitocondriales, como las de los cloroplastos se transmiten a través del
citoplasma. En el hongo del pan Neurospora crassa se descubrió una cepa mutante de
crecimiento lento a la que denominaron pony. El crecimiento lento está asociado con daño
en la función mitocondrial, ocasionando la ausencia de varios citocromos, por lo tanto, la
respiración aeróbica conduce a deficiencias en la producción de ATP. Los resultados de los
cruces entre cepas silvestres y pony sugirieron que el carácter se hereda por vía materna. Si
la hembra es pony y el macho silvestre, todas las colonias hijas son pony. Los cruces
recíprocos producen colonias de tipo silvestre. Este es un ejemplo bastante sencillo, para
demostrar que la herencia de los orgánulos es diferente a la mendeliana.
Dado que el ADNmt se transmite exclusivamente por vía materna, su análisis ha permitido
hacer ciertas interpretaciones de tipo evolutivo. El hecho que la tasa de mutación del
ADNmt es 10 veces superior a la del ADN nuclear, se transmite por vía materna y no
recombina, puede ser muy útil para construir árboles filogenéticos referidos a la especie
humana en sus últimos 150.000 – 200.000 años
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