La Envoltura Nuclear y la Cromatina

La envoltura nuclear está sostenida por dos redes de filamentos proteicos: la lámina nuclear (formada por una capa delgada que sostiene la membrana nuclear interna) y otra que rodea la membrana nuclear externa.

La heterocromatina es la forma más condensada de la cromatina interfásica (es inactiva transcripcionalmente). La eucromatina se encuentra en diversos estados más extendidos y es la parte de la cromatina que se transcribe de forma activa.

La cromatina es una estructura helicoidal formada por ADN de doble cadena. El ADN forma complejos con las histonas, dando lugar a los nucleosomas. Estos se pliegan para formar una fibra de cromatina de 30 nm (solenoide) que está formada por una serie de bucles que se empaquetan y enrollan para producir una cromátida de 700 nm. Los cromosomas mitóticos son la forma condensada de la cromatina y se encuentran en la metafase.

Cada cromosoma en mitosis consiste en dos cromátidas hermanas que están adheridas al centrómero. El número, los tamaños y las formas de los cromosomas metafásicos constituyen el cariotipo.

Los Colorantes Cromosómicos

Los colorantes tiñen patrones característicos que ayudan a distinguir cromosomas similares.

• Bandas G: Calor y reactivo de Giemsa.
• Bandas R: Patrón inverso al de banda G, solución alcalina caliente antes de Giemsa.
• Bandas Q: Con mostaza de quinacrina y luz UV.
• Bandas C: Zonas de heterocromatina centromérica.

Elementos Funcionales de los Cromosomas

• Orígenes de replicación: El ADN polimerasas inicia la síntesis de ADN; hay muchos en cada cromosoma.
• Centrómero: Secuencia de ADN, punto de unión de las proteínas que fijan el cromosoma al huso mitótico durante la división celular.
• Telómeros: Secuencias con función estabilizadora situadas en los extremos del cromosoma.

En las eucariotas superiores existe un cinetocoro en el centrómero que coordina los movimientos de los cromosomas en la división celular.

La secuencia repetida del telómero en los seres humanos es TTAGGG.

Recuento de Cromosomas

Se cuenta el número de centrómeros funcionales y el número de moléculas de ADN; se cuenta el número de cromátidas.

• Etapa G1: 4 moléculas de ADN – 4 cromosomas, 2 cromátidas y 8 moléculas de ADN.

Replicación del ADN

El ADN contiene la información necesaria para el desarrollo y funcionamiento de los organismos. Fue descrito por James Watson y Francis Crick en 1953.

Es un polímero bicatenario de alta masa molecular de desoxirribonucleótidos unidos por enlaces covalentes fosfodiéster. Estos se forman entre los grupos 3′-OH con los grupos fosfatos en 5′ del nucleótido adyacente.

Interacciones No Covalentes

• Puentes de Hidrógeno: Mantienen unidas las dos hebras del ADN para formar la estructura de doble hélice (permiten que el ADN se replique y se repare con precisión).
• Adenina forma dos puentes con la Timina: Guanina y citosina están conectadas por tres. Las bases se apilan y se repelen entre sí por su hidrofobicidad.
• Emparejamiento de bases nucleótidas: Se produce A-T y G-C.

La replicación se produce durante la fase de síntesis (S) y es un proceso para asegurar que el ADN pase a las células recién producidas.

• Cromatina: Complejo de ADN y proteínas.
• Principal enzima que cataliza nuevas hebras de ADN: Polimerasa de Ácido Desoxirribonucleico.

ADN Eucariótico

• ADN-polimerasas: Selecciona el nucleótido que se tiene que añadir al extremo 3′-OH.
• Semiconservadora con respecto a la hebra parental: Cada cadena tiene una hebra de ADN nuevo y otra de ADN viejo.
• Bidireccional y presenta numerosos orígenes de replicación: Comienza en varios sitios en el ADN lineal y se completa al final de la fase S.
• Se ceba con pequeños oligonucleótidos de ARN: Requiere ARN para iniciar el proceso. El ADN-primasa sintetiza los oligonucleótidos de ARN.
• Es semidiscontinua con respecto a la síntesis del nuevo ADN: Cada nueva hebra de ADN se sintetiza en la dirección 5′ a 3′. La hebra adelantada se sintetiza de 5′ a 3′ en la misma dirección de la horquilla de replicación, la hebra retrasada de 5′ a 3′ y en dirección opuesta al movimiento de replicación.

Proteínas que Intervienen en la Síntesis de ADN

Cada etapa de la replicación del ADN requiere de proteínas para unirse al ADN, abrir las hebras y formar cebadores, además de retirar la torsión de la hélice al abrir la proteína.

ADN Polimerasas

Cada una funciona como un complejo para iniciar la síntesis de ADN; algunas tienen actividad de exonucleasa de 3′ a 5′, o capacidad de lectura y corrección, que les permite eliminar nucleótidos que no forman parte de la doble hélice. Las eucariotas no poseen actividad exonucleásica de 5′ a 3′, a diferencia de las procariotas donde se retiran los cebadores. En las eucariotas se encarga otra enzima de ello.

ADN Helicasas

Clase de proteínas motoras que desenrollan segmentos cortos de ADN bicatenario original, usan ATP para catalizar la separación de las hebras y formar la horquilla de replicación en la síntesis de ADN.

ADN Primasas

Inician la síntesis de una molécula de ARN esencial para cebar la síntesis del ADN. Los primeros nucleótidos son ribonucleótidos; los posteriores también pueden ser desoxirribonucleótidos.

Proteínas de Unión al ADN Monocatenario

Impiden que el ADN monocatenario se hibride para formar uno bicatenario. Protegen una hebra monocatenaria hasta que se sintetice su hebra complementaria.

ADN Ligasa

Cataliza el cierre de las muescas que permanecen en el ADN después de que la polimerasa llene los huecos de los cebadores de ARN. Crea el último enlace fosfodiéster entre los nucleótidos adyacentes en una hebra de ADN.

Topoisomerasas

Retiran el retorcimiento excesivo del ADN, alivian la tensión torsional al inducir muescas monocatenarias reversibles en el ADN. Consiste en escindir el enlace fosfodiéster de una o ambas hebras; después el ADN rota en torno a su eje y la enzima cierra la muesca.

• Topoisomerasa I: Cataliza rompimientos en sólo una hebra de ADN bicatenario; después une de nuevo los extremos rotos.
• Topoisomerasa II: Cataliza en ambas hebras.

Telomerasa

Ayuda a mantener el telómero, que se va recortando con cada división celular. La secuencia en humanos de un telómero es TTAGGG. La enzima usa el ARN como molde y añade TTAGGG a los extremos del cromosoma.

Lesión del ADN

Por causas endógenas y exógenas, la mayor parte de lesiones se reparan antes de la replicación. Los mutágenos introducen lesiones durante la fase S del ciclo celular cuando se está sintetizando el nuevo ADN.

Tasa de Mutación Basal

Es el ritmo al que se acumulan las mutaciones por causas endógenas, se observa en ausencia de agentes ambientales, se debe a los errores durante la replicación de ADN. Los cambios tautoméricos (de una forma estructural natural a otra) en las bases contribuyen a estos errores. Estas bases pasan poco tiempo en formas menos estables por lo que las mutaciones de cambio tautomérico son raras.

Agentes Exógenos

Por ejemplo, la radiación ionizante, radioactiva y de luz solar, mutaciones en células somáticas y germinales. Los hidrocarburos inducen mutaciones, encontrados en los cigarros. Los radicales libres oxidativos también lesionan el ADN. Las sustancias usadas en las quimioterapias.

Sistemas de Reparación del ADN

En la mayoría de casos las células usan la hebra intacta de ADN para corregir errores. Cuando ambas hebras están dañadas se recurre a la cromátida hermana o a un mecanismo de recuperación propenso a errores, que constan de enzimas con un esquema general (reconocimiento, eliminación, reparación y religación).

Reparación de Emparejamientos Erróneos

Trata de corregir los emparejamientos de las bases (A con C, T con G); este fallo se origina de errores de la polimerasa en la replicación.

Reparación por Escisión de Bases

Corrige la despurinación y desaminación de las bases de ADN, reconoce y elimina nucleótidos con bases perdidas.

Reparación por Escisión de Nucleótidos

Elimina lesiones por la luz UV o químicos, reconoce las adiciones voluminosas del ADN que distorsionan la doble hélice.

Reparación de ADN Bicatenario

El daño de radiación ionizante, radicales oxidativos o antineoplásicos provocan el corte de las dos hebras de ADN. Se corrige mediante:

• Recombinación homóloga: Se aprovecha de la secuencia del cromosoma homólogo.
• Unión de extremos no homólogos: Une extremos incluso sin presentar similitud, existe cuando no hay plantilla disponible.