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Resumen Tema 4 Biologia molecular

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Resumen “Biología Molecular” Prof: Dr. Jorge Pérez

Tema 4. Composición y estructura de la cromatina La organización del DNA en las células Las moléculas de DNA que se encuentran en los diferentes organismos varían con un margen enorme de tamaños: ·En los organismos procariotas, toda la información genética está contenida en una única molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA) de doble cadena y circular, cerrado por enlace covalente. ·Dicha molécula se denomina cromosoma bacteriano. ·Muchas bacterias poseen además DNA extracromosómico, también circular y cerrado, en forma de plásmidos. ·Éstos, portan información génica para muchas funciones que no son esenciales para la célula en condiciones normales de crecimiento. ·En el otro extremo, en los organismos eucariotas, la información genética está contenida en largas moléculas de DNA de doble cadena, y lineales, condensadas formando los cromosomas eucarióticos. El genoma humano se abarca de 23 pares de cromosomas lineales, y de aproximadamente 3000 megabases (Mb) de DNA, mientras que el genoma de Escherichia coli consiste en un solo cromosoma de la circular del Mb 4.6.

Organización estructural de los cromosomas eucariontes → ¿Cómo se organizan las moléculas de DNA dentro de las células eucariontes? Debido a que la longitud total del DNA es cientos de miles de veces superior a la longitud de la célula, el empaquetamiento del DNA es crucial para la estructura celular. Durante la interfase, cuando las células no se están dividiendo, el material genético existe como un complejo de nucleoproteínas llamado cromatina, disperso en la mayor parte del núcleo. Durante la mitosis, la cromatina se pliega y se compacta dando lugar a la formación de los cromosomas metafásicos. → El DNA nuclear eucarionte se asocia con proteínas histonas para formar cromatina: La estructura general de la cromatina es notablemente similar en las células de todos los eucariontes, incluidos los hongos, las plantas y los animales. Las proteínas más abundantes asociadas con el DNA eucarionte son las histonas, una familia de proteínas básicas pequeñas presentes en todos los núcleos eucariontes. Los 5 tipos principales de histonas son:

Resumen “Biología Molecular” ·Las secuencias de aminoácidos de 4 histonas (H2A, H2B, H3 y H4) presentan una notable similitud entre especies remotamente relacionadas. ↳Las secuencias de la histona H3 del erizo de mar y de un ternero sólo se diferencian en un aminoácido. ·La secuencia de aminoácidos de la histona H1 varía más de un organismo a otro que las secuencias de las otras histonas importantes. ↳En algunos tejidos (p.e. en los eritrocitos nucleados de las aves) la histona H1 es reemplazada por otras histonas especiales (H5). ·La similitud en la secuencia de las histonas de todos los eucariontes sugiere que se pliegan en conformaciones tridimensionales muy similares, que alcanzaron niveles óptimos para la función de las histonas en un punto muy temprano de la evolución (ancestro común a todos los eucariontes modernos). → El DNA nuclear eucarionte se asocia con proteínas histonas para formar cromatina:

·Son proteínas ricas en aminoácidos básicos cargados positivamente, que interactúan con los grupos fosfato cargados negativamente del DNA. → Nucleosomas y cromatina: Los nucleosomas son las principales unidades estructurales de la cromatina: - Un nucleosoma está formado por un núcleo de proteínas con DNA enrollado dando vueltas alrededor de su superficie. - Tienen un diámetro de unos 10 nm. - El núcleo es un octámero que contiene dos copias de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4. La histona H1 actúa sellando el nucleosoma. - Los nucleosomas de todos los eucariontes contienen 147 bp de DNA enroscadas algo menos de dos vueltas alrededor del núcleo de proteínas. - La longitud del DNA espaciador varía entre especies y va de 15 hasta 55 bp. - Tratando con nucleasas (degradan DNA) se puede digerir todo el DNA espaciador, liberando los nucleosomas individuales con su componente de DNA.

Resumen “Biología Molecular” → Nucleosómas y cromatina:

→ La cromatina existe en las formas condensada y extendida: La cromatina puede encontrarse en dos estados diferentes. ·Cromatina extendida (eucromatina). -Tiene una forma semejante a un “collar de perlas”. -El cordón está compuesto de DNA libre llamado DNA conector, que liga estructuras semejantes a las perlas denominadas nucleosómas. ·Cromatina condensada (heterocromatina). -Tiene forma de fibras de alrededor de 30 nm de diámetro. -En estas fibras condensadas los nucleosomas están empaquetados en una espiral irregular o en solenoide, con aproximadamente 6 nucleosomas por vuelta. La cromatina condensada puede ser bastante dinámica, con regiones que ocasionalmente se despliegan en parte, y luego se vuelven a plegar para formar la estructura de solenoide. ·La cromatina en las regiones cromosómicas que no está siendo transcrita existe predominantemente en la forma condensada de fibra de 30 nm y es estructuras plegadas de orden superior. ·Las regiones de cromatina que se transcriben activamente adoptan la forma extendida de “collar de perlas”.

Resumen “Biología Molecular” → La modificación de las colas de histona controla la condensación de la cromatina: Cada una de las histonas que conforman el núcleo del nucleosoma contiene un extremo amino flexible de 11 a 37 residuos (aminoácidos) que se extienden desde la estructura fija del nucleosoma. Estos extremos se llaman colas de histonas. ·Cuando se forman los nucleosómas, estas colas de las histonas tienen un papel regulatorio muy importante. ·Las colas de histona se requieren para que la cromatina se condense desde la conformación de perlas de un collar a la fibra de 30 nm. -Varias cadenas laterales de lisina cargadas positivamente en las colas de histona pueden interactuar con el DNA espaciador y con las colas de los nucleosomas próximos. -Las colas de las histonas tienen aminoácidos que pueden ser modificados. Acetilación/ Deacetilación → En lisinas Metilación/ Demetilación → En lisinas y argininas, que evita que pueda tener lugar la acetilación, manteniendo así las cargas positivas de las colas de histona. Fosforilación/ Desfosforilación→  En serinas y treoninas, que introduce cargas negativas. Ubiquitinación/ Deubiquitinación→  Pequeña proteína de 76 aminoácidos y en lisinas, que influyen en la estructura de la cromatina. Las lisinas de las colas de histona, sobre todo aquellas en H3 y H4, sufren acetilaciones y desacetilaciones (adición o sustracción de un grupo acetilo) reversibles mediante enzimas que actúan específicamente sobre lisinas específicas del N-terminal. En la forma acetilada, la carga positiva del grupo amino de la lisina se neutraliza y se pierde su interacción con el grupo fosfato del DNA. Por tanto, mientras más acetilada este la histona, menor será la probabilidad de que la cromatina forme fibras condensadas. ·Las modificaciones covalentes de las colas de histona pueden influir en la estructura de la cromatina al: - Alterar las interacciones entre el DNA y las histonas. - Alterar las interacciones entre nucleosomas. - Controlar las interacciones con proteínas adicionales que participan en la regulación de la transcripción. → Las proteínas no histonas proporcionan un armazón estructural para los bucles largos de cromatina: ·Además de las histonas, hay otras proteínas menos abundantes que también están involucradas en la organización de la estructura de los cromosomas. ·Los bucles de la fibra de cromatina se asocian con un armazón proteico, de proteínas no histonas, para dar la forma extendida característica de los cromosomas en la interfase. ·Los genes se localizan dentro los bucles de cromatina, adheridos en sus bases a un armazón cromosómico. ·El plegamiento de este armazón produce la estructura altamente condensada de los cromosomas en la metafase.

Resumen “Biología Molecular” El plegamiento para formar los cromosomas metafásicos funciona de la siguiente forma:

→ La cromatina contiene pequeñas cantidades de otras proteínas además de las histonas y las proteínas del armazón: La cromatina de la interfase y los cromosomas de la metafase también contienen pequeñas cantidades de otras proteínas: ·Se ha identificado una lista creciente de factores de transcripción de unión al DNA asociados con la cromatina en interfase. ·También se han encontrado otras proteínas no histonas, menos abundantes, asociadas con la cromatina que regulan la replicación del DNA durante el ciclo celular. ·Otras proteínas llamadas proteínas HMG, ya que exhiben una alta movilidad durante la separación en una electroforesis, están presentes en grandes cantidades. Algunas de ellas se unen al DNA cooperativamente con los factores de transcripción para regular la transcripción del gen vecino. → Los cromosomas eucariontes contienen una molécula lineal de DNA: En eucariontes inferiores como la levadura se ha comprobado por electroforesis en gel con campo pulsado que cada cromosoma contiene una única molécula de DNA. Las moléculas de DNA de los cromosomas humanos son demasiado grandes para ser extraídas sin romperlas (2,8·108 bp o 10 cm de largo). Sin embargo, las observaciones con eucariontes inferiores avalan la conclusión de que cada cromosoma visualizado durante la mitosis contiene una única molécula de DNA. → En resumen: -Cada cromosoma es una estructura lineal compuesta por una única molécula de DNA inmensamente larga que está enrollada alrededor de los octámeros de histona aproximadamente cada 200 bp, formando cordones de nucleosomas estrechamente empaquetados. -Los nucleosomas se pliegan para formar una fibra de cromatina de 30 nm, la cual está adherida a un armazón de proteína flexible a intervalos de millones de pares de bases, lo que produce largos bucles de cromatina que se extienden desde el armazón. -Además de esta estructura general, un conjunto complejo de miles de proteínas reguladoras poco abundantes se asocian con secuencias específicas en el DNA cromosómico.

Resumen “Biología Molecular” → Morfología y elementos funcionales de los cromosomas eucariontes: Las primeras observaciones acerca del número y el tamaño de los cromosomas y sus patrones de tinción condujeron al descubrimiento de muchas características generales importantes de la estructura de los cromosomas se identificaron regiones cromosómicas críticas para su replicación y segregación a células hijas durante la división celular. En el momento de la mitosis, las células ya han progresado a través de la fase S del ciclo celular y han replicado su DNA. Los cromosomas que se hacen visibles durante la metafase son estructuras duplicadas. · Cada cromosoma en metafase consiste en dos cromátidas hermanas que están adheridas al centrómero (parte central del cromosoma). · Los extremos de cada una de las cromátidas  se llaman telómeros  . · Los cromosomas pueden ser cromosomas sexuales (determinan el sexo de la especie) o autosomas (no determinan el sexo de la especie). → El número, el tamaño y la forma de los cromosomas en metafase son específicos de especie: El número, los tamaños y las formas de los cromosomas metafásicos constituyen en cariotipo, que es distintivo para cada especie. ·En la mayoría de los organismos todas las células tienen el mismo cariotipo. ·Especies que parecen bastante similares pueden tener cariotipos muy diferentes, lo que nos indica que el potencial genético similar puede estar organizado en formas muy diferentes en los cromosomas. → Durante la metafase los cromosomas pueden distinguirse por los patrones de bandas y la coloración: Algunos colorantes tiñen selectivamente algunas regiones de los cromosomas en metafase más intensamente que otras y producen patrones característicos específicos de cromosomas individuales. No se sabe muy bien porque unas regiones se tiñen más que otras pero estas marcas pueden servir, como puntos de referencia visibles a lo largo de la longitud del cromosoma, para distinguir cromosomas de tamaño y forma similar. ·El reactivo Giemsa, un colorante permanente del DNA, hace aparecer bandas que corresponden a grandes regiones del genoma humano que tienen un contenido bajo de G+C (bandas G).  ·Si antes de tratar con Giemsa, se trata los cromosomas con una tinción alcalina, se tiñen las bandas R, que tienen un patrón inverso al de las bandas G. Existen métodos más actuales, como la coloración de cromosomas, que simplifican la diferencia entre cromosomas de tamaño y forma similares. Se utilizan sondas específicas a lo largo de la longitud del cromosoma, se marcan con colores fluorescentes a distintas longitudes de onda. Mediante otra técnica relacionada llamada FISH (fluorescence in situ hybridization) podemos detectar regiones específicas de los cromosomas. En esta técnica se utilizan sondas fluorescentes específicas que hibridan con genes en concreto. Esta técnica nos puede servir para: ...detectar regiones particulares de los cromosomas. ...detectar deleciones de genes específicos ...detectar el cromosoma sexual que contiene un espermatozoide

Resumen “Biología Molecular” → Cromosomas politénicos: A veces determinadas células necesitan un aporte extra de algunos genes, p.e. porque necesitan sintetizar más proteínas de una forma rápida las glándulas salivares de Drosophila y otros dípteros contienen cromosomas en interfase agrandados que son visibles con el microscopio óptico llamados cromosomas politénicos. Cuando se fijan y se tiñen presentan un gran número de bandas reproducibles bien demarcadas Se forman mediante un proceso llamado politenización, que consiste en una amplificación generalizada del DNA. ·El DNA se replica repetidamente pero los cromosomas hijos no se separan, dando lugar a un cromosoma agrandado compuesto por muchas copias paralelas de sí mismo. ·La amplificación del DNA cromosómico incrementa muchísimo el número de copias de genes para abastecer de suficiente mRNA para la síntesis de proteínas en las células de las glándulas salivares de Drosophila. → Heterocromatina y eucromatina: Cuando las células salen de la mitosis y los cromosomas condensados se desenrollan, se pueden observar ciertas regiones de los cromosomas que aparecen teñidas de oscuro. Estas áreas teñidas de oscuro se denominan heterocromatina. ·Corresponde a regiones de cromatina condensada. ·Aparece con mayor frecuencia (aunque no exclusivamente) en los centrómeros y los telómeros de los cromosomas. ·La mayor parte es DNA de secuencia simple (repetitivo). ·A menudo estas áreas están asociadas con la cubierta nuclear. ·Se las considera áreas de genes inactivos. Las porciones de cromatina con coloración clara se llaman eucromatina. ·Son regiones de cromatina no condensada. ·La mayor parte de la transcripción se localiza en estas regiones (y en el nucléolo). Sin embargo, hay algunas excepciones... ·Se han localizado algunos genes transcritos en zonas de heterocromatina. ·No todos los genes inactivos y regiones no transcritas de DNA son visibles como heterocromatina. → Se requieren tres elementos funcionales para la replicación y la herencia estable de los cromosomas: Aunque los cromosomas difieren en longitud y número entre las distintas especies, los estudios citogenéticos han demostrado que todos se comportan similarmente en el momento de la división celular. Cualquier cromosoma eucarionte debe contener tres elementos funcionales para que se replique y se segregue correctamente: ·Los orígenes de replicación (en los cuales las DNA polimerasas y otras proteínas inician la síntesis del DNA). ·El centrómero. ·Los dos extremos o telómeros.

Resumen “Biología Molecular” → Las secuencias de los centrómeros varían enormemente de longitud: En las levaduras los centrómeros tienen 40 kb de largo y están compuestos de copias repetidas de la misma estructura de secuencia:

Hay 3 regiones conservadas: - Las regiones I y III presentan secuencias de nucleótidos cortas bastante bien conservadas. - La región II, aunque es variable en secuencia, es bastante constante en longitud y rica en residuos A y T. En Drosophila, hay una unidad de repetición que tiene cierta similitud con las regiones CEN I y CEN III de levadura.

En humanos, los centrómeros contienen matrices de 2 a 4 Mb de DNA de secuencia repetitiva de 171 bp denominadas DNA alfoide. En los eucariontes superiores existe una estructura proteica compleja llamada cinetocoro que se ensambla en los centrómeros y se asocia con múltiples fibras del huso acromático durante la mitosis. → Los telómeros están formados por oligómeros repetitivos: La secuenciación de los telómeros de varios organismos, incluidos los humanos, ha demostrado que están formados por oligómeros repetitivos con un alto contenido de G en la hebra en su extremo 3’ al final del cromosoma. ·La secuencia repetida del telómero en los seres humanos y otros vertebrados es TTAGGG. ·Estas secuencias simples se repiten en el extremo de los cromosomas por un total de algunos cientos de pares de bases en levaduras y protozoos, y algunos miles de pares de bases en los vertebrados. ·El extremo 3’ de la hebra rica en G se extiende de 12 a 16 nt más allá del extremo 5’ de la hebra complementaria rica en C. ·Esta región está unida por proteínas específicas que protegen los extremos de los cromosomas lineales del ataque de exonucleasas....