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ANÁLISIS CROMOSÓMICO

1. INTRDUCCIÓN La citogenética es la rama de la genética que se encarga del estudio de la estructura, función y comportamiento de los cromosomas. La citogenética humana plica estos estudios al diagnóstico, pronostico y evolución de las enfermedades con base genética. HISTORIA  1841, los cromosomas fueron descubiertos por Carl Nögeli.  1869, Friedrich miescher descubre el ADN.  1889, Wilhem Von Waldeyer le dio el nombre de cromosoma, que significa ‘cuerpo colorido’ en griego.  1910, Thomas Hunt Morgan describe que son los portadores del gen.  1943, Avery, Mcleod y M. McCarty descubren que el ADN es material hereditario.  1953, James Dewey Watson y Crick descubren la estructura del ADN. 1.1. NIVELES DE COMPACTACIÓN DEL ADN ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS: Los ácidos nucleicos son macromoléculas poliméricas (polímeros de nucleótidos) encargadas de almacenar, transmitir y expresar la información genética de los seres vivos. Un nucleótido está formado por: BASE NITROGENADA: son compuestos heterocíclicos planos de carbono y nitrógeno con diferentes radicales. Pueden ser de dos tipos:  

Bases púricas: derivan de la purina y son la adenina (A) y la guanina (G). Bases pirimidínicas: derivan de la pirimidina y son la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U).

La adenina, la guanina y la citosina están presentes tanto en el ADN como en el ARN. La timina solo se encuentra en el ADN y el uracilo solo se encuentra en el ARN. PENTOSA: Es un glúcido de cinco átomos de carbono que forma parte de la estructura de un nucleótido. Puede ser de dos tipos:  

D-Ribosa, en los nucleótidos que componen el ARN. 2-desoxi-D-Ribosa, en los nucleótidos que componen el ADN.

FOSFATO: es un derivado del ácido fosfórico, H3PO4.

FORMACIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS: La unión de una base nitrogenada con una pentosa constituye un nucleósido. Esta unión se produce a través de un enlace N-glucosídico. Los nucleótidos se nombran añadiendo la base nitrogenada:  Terminación –osina en el caso de las bases púricas (adenosina y guanosina).  Terminación –idina en el caso de las bases primidínicas (citidina, timidina y uricina).  Si la pentosa es la desoxirribosa, se añade el prefijo desoxi- al nombre. La unión de un nucleósido con una molécula de ácido fosfórico en forma de anión fosfato mediante un enlace éster origina un nucleótido. Se pueden unir hasta 3 fosfatos, dando lugar a moléculas:   

Monofosfato. Difosfato. Trifosfato.

Su nomenclatura vendrá determinada por el nombre de moléculas más el nombre del nucleótido. Nucleótidos NO nucleicos: no forman parte del ADN. Se forman por unión de otros grupos al fosfato de los nucleótidos y tienen gran interés biológico. Nucleótidos de adenina: ATP y ADP. Nucleótidos coenzimáticos: contienen bases nitrogenadas diferentes  NAD, NADP, FAD. Estos enzimas son coenzimas de deshidrogenasas (enzimas que catalizan reacciones de oxidación y reducción). Se pueden encontrar en forma oxidada o reducida. Para pasar de una forma a otra captan o ceden H, oxidando o reduciendo el sustrato. Son vitales para el metabolismo celular.

CLASSIFICACIÓN: Estas biomoléculas, de gran importancia biológica, se encuentran en todos los seres vivos bajo dos formas: 

ADN: constituye el depósito en que almacena la información hereditaria y se controlo su transmisión a la descendencia. Está formado por una desoxirribosa. Presenta diferentes niveles de organización: Estructura primaria: es la secuencia de bases nitrogenadas en el esqueleto de su cadena de desoxinucleótidos. Los nucleótidos se unen siempre entre sí a través de enlaces fosfodiester 5’-3’ (carbono 5’ con carbono 3’). Características:

A pesar de las variaciones que hay en el tamaño, la composición de bases y la secuencia de las moléculas de ADN de diferentes especies, todas las moléculas de ADN bicatenario tienen una característica en común: la cantidad de adenina es igual a la de timina (2 puentes de H) y la cantidad de citosina es igual a la guanina (3 puente de H). Ley de Chargaff. La proporción de bases varía según la especie.

La citosina y la guanina predominan en los genes. Las bacterias serán ricas en guanina y citosina. Estructura secundaria: es la configuración espacial de las dos cadenas (doble hélix). El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos que se disponen de forma helicoidal sobre el eje. Este doble eje gira hacia la derecha (dextrógiro) y el enrollamiento es plectonémico (para separar las cadenas hay que desenrrollarlas previamente). Presenta un grueso de 2nm y una vuelta completa de hélice contiene 10 pares de bases y, por lo tanto, tiene una longitud de 3,4nm. Así, las moléculas de ADN de los seres vivos son bicatenarias (ADNds), es decir, están constituidas por dos cadenas polinucleótidas que cumplen las siguientes condiciones: Las cadenas son antiparalelas: los enlaces 5’-3’ están orientados en sentidos opuestos, de manera que el extremo 5’ de una cadena se enfrenta al extremo 3’ de la otra. La secuencia de bases nitrogenadas de ambas cadenas es complementaria. Ambas cadenas se mantienen unidas por puentes de hidrogeno entre las bases complementarias. Las bases nitrogenadas presentan un carácter hidrofóbico y quedan situadas en el interior y la pentosa + el fosfato se sitúan en la superficie y tienen un carácter hidrofílico. Cada vuelta presenta 10 pares de bases, Solo se pueden unir una purina y una pirimidina, es decir, cualquier molécula bicatenaria de ADN tiene la misma proporción de bases púricas y pirimidínicas y, más concretamente, el contenido de adenina es igual al de timina y el contenido de guanina es igual al de citosina. Las fuerzas que mantienen unida esta estructura son: puentes de H entre bases complementarias y interacciones hidrofóbicas entre bases nitrogenadas. Estructura terciaria: es comúnmente llamada collar de perlas, son nucleosomas formados por ADN y proteínas. Es la configuración tridimensional de la molécula de ADN formando las fibras de cromatina (complejo formado por el ADN y las histonas). Está formada por 146 pares de bases de ADN, envolviendo el núcleo proteico (formado por 8 histonas). La estructura del nucleosoma es estable por las cargas positivas de las histonas y las cargas negativas del ADN. La histona H1 estabiliza el nucleosoma.

Es el primer nivel de compactación del ADN: cada nucelosoma está unido a otro nucleosoma por un ADN de unión o ‘linkes’ que hace de puente entre dos partículas nucleosíticas. Estructura cuaternaria: Solenoide: el ADN se enrolla helicoidalmente, con seis nucleosomas en cada vuelta. En el centro de la estructura helicoidal se encuentran las histonas 1 generando un esqueleto proteico. Este, se enrolla formando una estructura de rosseta o rosetó. Este bucle se va compactando sobre un esqueleto central de proteínas no histónicas que hace una función de ‘scaffod’. A la vez, existen las SARS que son zonas de la fibra muy ricas en adenina y timina, las cuales se unen al eje central de proteínas SMC. La rosseta es lo que se conoce como cromatina. Hay dos tipos de cromatina:  Eucromatina: es la cromatina mayoritaria. Está situada en el centro del núcleo y dispersa en la interfase. Está activa a nivel de transcripción y replicación. Se encuentra poco condensada y se tiñe poco.  Heterocromatina: es minoritaria. Se sitúa en la periferia del núcleo y cerca del nucléolo. No siempre realiza la transcripción y casi siempre está inactiva. Presenta poca expresión genética, pero tiene una cierta importancia en procesos de regulación de esta expresión genética (epigenética). Está bastante condensada.

La epigenética, es el termino que estudia como el ambiente y la historia del individuo influye sobre la expresión de los genes y más exactamente, el conjunto de la transmisión de los caracteres adquiridos de una generación a otra y reversibles de la expresión genética sin alteración de la secuencia de los nucleótidos. Un ejemplo de la epigenética es la interpretación de las diferentes lecturas. Químicamente, se hace en el ADN variaciones químicas para que gen esté encendido o apagado: GEN OOF: algunas marcas epigenéticas conducen a apretado embalaje; grupos metilos a menudo tienen este papel.

Una configuración ajustada puede bloquear la maquinaria de la transcripción génica de la interacción con el ADN y por lo tanto tiende a inhibir la transcripción de los genes. GEN ON: otras marcas como los grupos acetilo que se sitúan sobre las histonas, relajan la cromatina y favorecen la entrada de la maquinaria transcripcional y la expresión de los genes. Cuarto nivel de compactación del ADN: cuando la célula entra en mitosis, compacta toda su cromatina en forma de cromosomas. Esta última compactación, está dirigida y mantenida por una serie de proteínas como la topoisomerasa II y la cohesina (y la condensina durante la mitosis). Las proteínas SMC y las zonas SARS, se convierten en la bastida sobre la cual se estructura el cromosoma. Después de la replicación del ADN (fase S de la interfase), las dos copias se estructuran en forma de cromátidas hermanas; las cuales se mantienen unidas por las condensinas y cohesinas formando el cromosoma. Las dos cromátidas hermanas quedan vinculadas fuertemente entre sí (sobre todo debido a las cohesinas). Esta unión entre cromátidas se simplificará posteriormente en una única región llamada centrómero. 

ARN: se encarga de la expresión de esta información mediante la síntesis de proteínas.

2. LA VIDA DE LA CÉLULA Todas nuestras células tienen la misma información genética, en cambio, la vida que presentan es muy variable:  Eritrocito: 120 días.  Hepatocito: 150 días.  Epitelial: 10 días. MUERTE (apoptosis): Qué pasa cuando no se puede dividir más y se para una célula? 1. Retracción celular: la célula se desprende de sus vecinas. (pérdida de volumen). 2. Arrugamiento por pérdida de agua. Condensación de la cromatina y fragmentación en oligonucleosomas. 3. Formación de protuberancias en la superficie celular (como burbujas). Ruptura de la célula en fragmentos (fragmentos apoptoticos). 4. Los fragmentos son ingeridos por los macrófagos.

2.1. CICLO CELULAR El ciclo celular comprende todas las etapas que experimentan las células durante su proceso vital:  

Reposo o interfase. Ciclo proliferativo/división celular.

El ciclo celular es un proceso continuo de interfase en la división celular y vuelve a la interfase. En este proceso las células progenitoras pasan a las células hijas las instrucciones genéticas para todas sus características y funciones.

Hay algunas diferencias entre las divisiones de la célula procariota y la eucariota:  

La célula procariota (bacterias) se multiplica de forma continua mientras que lo permita las condiciones del medio. La célula eucariota se divide mucho más lentamente y entra en periodos de inactividad proliferativa.

Durante el ciclo celular se pueden realizar tres procesos: 1. Autoamplicación: división celular por mitosis para perpetuar la célula. 2. Diferenciación: cambios celulares establecidos genéticamente que suceden durante la mitosis. Las instrucciones que reciben las hijas (=madre) les permitirá preparase para una función concreta  especializarse. 3. Maduración: cambios físico-bioquímicos después de la mitosis, que preparan en la célula para su capacidad funcional.

2.2. ELEMENTOS CELULARES QUE PARTICIPAN EN LA DIVISIÓN NUCLEO: contiene el material hereditario (ADN) y la información de control celular. 

Cromatina: filamentos de ADN asociados a las histonas. Durante la división celular se compacta.



Membrana nuclear: es una envoltura de bicapa lipídica. Separa y protege el contenido genético del núcleo del citoplasma de la célula.



Poro: formado por nucleoproteínas, que son proteínas complejas que traviesan la envoltura y regulan el intercambio entre el núcleo y el citoplasma en los dos sentidos.



Núcleo plasma: es el contenido semilíquido viscos del núcleo. Separa la cromatina del nucléolo. Contiene enzimas que participan en el metabolismo de los ácidos nucleicos. También contiene proteínas y lípidos, y llegan hormonas y factores que intervienen en la regulación genética.



Nucléolo: es una región del núcleo considerada una estructura supramacromolecular muy condensada, no envuelta por membrana.

CENTROSOMA O DIPLOSOMA: es exclusivo de células animales. Está próximo al núcleo y es considerado como un centro organizador de microtúbulos. Está formado por: 





Dos centriolos: son dos cilindros formados por microtúbulos posicionados en perpendicular entre sí. Material pericentriolar: son agregados proteicos que envuelven los centriolos y está en contacto con el áster. Áster: conjunto de microtúbulos que se dispone radialmente alrededor del centrosoma.

Funciones del centrosoma: 

Durante la interfase:  Mantiene la forma de la célula.  Interviene en la motilidad de la célula.  Transporte de orgánulos y partículas en el citoplasma.



Durante la mitosis:  Se duplica y se dirige a polos opuestos.  Forma el fus acromático.

 En la anafase, separa las cromátidas hermanas.

2.3. ETAPAS DEL CICLO CELULAR La célula eucariota pasa por las siguientes fases: INTERFASE: G1, S, G2 MITOSIS O DIVISIÓN CELULAR (separación del material genético)

 

Características:    

Se duplica la célula. División celular. Dos células hijas prácticamente. Idénticas a la progenitora.

Hay un estadio que lo podemos encontrar habitualmente en las células que es el GO (está en quiescencia).

INTERFASE: es el periodo que transcurre entre dos mitosis consecutivas, es decir, entre el final de una división celular y el inicio de la siguiente. El núcleo y la membrana nuclear son muy evidentes en la célula. El material genético está en forma de cromatina en el núcleo (relajada). La interfase se divide en tres períodos, con actividades metabólicas diferentes: G1, S y G2.

FASE G1 (‘gap 1’): es un periodo de crecimiento celular, que se inicia al finalizar la mitosis y se prolonga hasta que se inicia la replicación de ADN.

La célula procedente de la mitosis acabada de formar, entra en un nuevo ciclo proliferativo. La célula entra en un período de reconstrucción celular: reconstrucción celular, toma nutrientes del medio y fabrica nuevas proteínas para estructuras celulares; de forma que presenta una intensa actividad bioquímica. También aumenta de tamaño.

FASE S: es la fase en que se replica todo el ADN celular. De esta manera, cada cromosma queda constituido por dos moléculas idénticas de ADN que permanecen unidas mediante cohesinas. La cadena de ADN compactado en forma de cromatida libre, se abre de forma que la máquina de replicación celular pueda acceder a las dos cadenas complementarias y hacer una copa de cada una; de tal forma que al finalizar se ha duplicado la cantidad total de ADN. Durante este proceso se reducen los errores en las copias al mínimo: aproximadamente 1 error cada 106 pares de bases. Este proceso solo se dará una sola vez. Cualquier error en la copia del ADN llevará a daños letales para las células hijas o incluso para la totalidad del organismo. También se duplica el centrosoma y las histonas. Una vez completada esta fase, la célula entrará en G2.

FASE G2 (‘gap2’): es la fase en que se expresan los genes que codifican todas las proteínas implicadas en la división celular. La célula procedente de la fase S, se prepara para la división. Es una segunda fase de crecimiento celular en la cual aumenta el tamaño de la célula. Se forman las estructuras necesarias para la mitosis. Los centrómeros se separan para posteriormente formar el fus mitótico. La cromatina (ya amplicada) se va compactando cada vez más. FASE GO (quiescencia): es una fase que se basa en el reposo celular en la cual no hay división celular, ni proliferación. Es el estado estable de una célula en el que se mantiene un metabolismo mínimo. Es decir, metabólicamente las células son activas, pero no se duplica el ADN ni se dividen. En esta fase las células realizan una maduración final para adquirir características propias. Realizan funciones específicas: las células diferenciadas pueden permanecer en esta fase GO durante un período largo de tiempo y después volver al ciclo proliferativo.

Se creía que algunos tipos celulares especiales permanecían en GO indefinitivamente; todo y que se ha visto que pueden entrar en mitosis habiendo estado en estado quiescente durante años. Otros tipos celulares tienen una desgaste mayor y tiene una elevada velocidad de recambio o proliferación celular.

REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR Hay una serie de puntos de control (Checkpoints) del ciclo celular: puntos donde la célula examina las condiciones externas e internas y decide pasar o no a la siguiente fase, es decir, i progresa a la siguiente fase del ciclo celular. Estos puntos de control se encuentran al final de cada fase de interfase y al final de la mitosis. Y están regulados por las proteínas cdk (cicline dependent kinasa). La pérdida de estos controles hace que muchas células continúen el ciclo celular (se pierde el funcionamiento del ciclo). El punto de restricción entre G1 y S es decisivo ya que es cuando la célula decide: Si entra en ciclo proliferativo. Si se queda quiescente (GO). Si entra en fase de diferenciación celular. Si entra en periodo de senescencia: pérdida irreversible de la capacidad proliferativa de las células que no entran en fase S y se produce como respuesta a alteraciones celulares (envejecimiento). Es importante para suprimir la formación de células cancerígenas y está relacionado con el acortamiento de los telómeros de los cromosomas.  Si realiza apoptosis ente G1 y S: ‘muerte celular programada’ desencadenada por señales controladas a nivel genético a través de la expresión de unas proteínas específicas llamadas caspasas. Permite evitar la proliferación de células demasiado dañadas para seguir realizando sus funciones celulares.

   

MITOSIS Y MEIOSIS: es el proceso por el cual a partir de una célula parental se obtienen dos células hijas con la misma dotación genética. Es decir, solo es la separación del material genético, una vez se duplicado la célula.

Suceden 4 etapas: PROFASE: los centrosomas se mueven hacia polos opuestos, la envoltura nuclear se comienza a fraccionar y la cromatina altamente condensada empieza a formar los cromosomas. Las dos cromátidas idénticas o hermanas (homólogas de cada cromosoma) contactan por la zona llamada centrómero formado por los cromosomas. Los cinetocoros, formados por proteínas, se sitúan en la parte lateral externa del centrosoma sobre cada cromátida hermana. PROMETAFASE: la membrana nuclear desaparece completamente, los nucleótidos también desaparecen y se dispersan en el citoplasma. Los cromosomas también se dispersan en el citoplasma y los centrosomas que estaban situados en polos opuestos empiezan a alargar los microtúbulos. METAFASE: Los cromosomas quedan situados en plano ecuatorial de la célula (en el medio). Las fibras del áster (formadas por microtúbulos) de cada centrosoma cruzan la célula y contactan en el plano central hasta formar lo que se llama fus acromático. Los microtúbulos del huso acromático contactan con el cromosoma por el cineconector. Se produce la duplicación del centrómero y se observan claramente los cromosomas en su máxima compactación. Colchicina o Colcemid  es un fármaco antimitótico que detiene o inhibe la división celular en metafase o en anafase. ANAFASE: se duplican los centrómeros: uno para cada cromátida. Los microtúbulos se acortan en el extremo del cinetocor, se separan los centrómeros y las cromátidas, cada cromátida migra a un polo opuesto y se desplazan los dos grupos de cromátidas en sentido contrario. TELOFASE: las cromátidas llegan a polos opuestos, pierden su condensación y se alargan formando cr...