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Cromosomas

La herencia, es decir la transmisión de las características de las células a la descendencia tiene un origen molecular y las "especificaciones técnicas" que definen a una célula como tal está codificada en una larga molécula que recuerda un cordón llamada ADN (ácido desoxirribonucleico). La molécula de ADN está formada por dos cadenas de bloques constructivos llamados nucleótidos, y ambas cadenas se envuelven una a la otra en forma que recuerdan las barandas de una escalera de caracol, estructura conocida como doble hélice. Las dos cadenas están de frente una a la otra y se mantienen integradas como molécula única a través de enlaces repetitivos entre los nucleótidos que recuerdan los peldaños de la escalera, véalo en la figura 1 en la que se ha representado una sección de la molécula de ADN mostrando los enlaces entre los nucleótidos. Los nucleótidos se han denominado con letras mayúsculas y a continuación se explica el origen de esta denominación.

Se pueden encontrar solo cuatro diferentes nucleótidos en la molécula de ADN y la secuencia en la que estos ocurren codifica la información. Los nucleótidos se representan con la primera letra del nombre químico que ha recibido el nucleótido, así tenemos que estos son A (de nucleótido adenina), G (de nucleótido guanina), C (de nucleótido citosina) y T (de nucleótido timina). Los enlaces de los nucleótidos son muy específicos. El A siempre se une a T, y el G  siempre lo hace con C y estos pares que se enlazan se conocen como bases complementarias, por  consiguiente, una secuencia ATCG en uno de los cordones de nucleótidos se enlazará necesariamente con una TAGC en el otro cordón (véalo en la figura 1). Note que cualquiera que sea la secuencia de nucleótidos en un cordón, la secuencia de estos en el otro cordón es una imagen al espejo de la anterior. Esta simplicidad en la "receta de conexiones" hace que cada cordón se pueda ensamblar fácilmente partiendo del otro.

El hecho de que solo cuatro tipos de nucleótidos formen el ADN no significa que su molécula sea pequeña, muy por el contrario, de forma general la molécula de ADN es una enorme macromolécula en la que pueden aparecer muchos millones de nucleótidos formando una larga cadena. El diámetro de la doble hélice de ADN está alrededor de los 2 nanómetros, pero la longitud de una molécula extendida puede ser superior a varias decenas de centímetros dependiendo del organismo. Ante esta situación, resulta evidente que para poder acomodar en ADN dentro de la diminuta célula su estructura debe tener una forma muy compacta como veremos más adelante.

ADN
Figura 1. Una sección de la molécula de ADN.

La secuencia específica de algunos cientos, hasta varios miles de nucleótidos, dan lugar a un gen, la unidad de información hereditaria. Un gen puede codificar una proteína en particular, o a un tipo diferente de molécula denominada ARN (ácido ribonucleico), o puede actuar regulando a otros genes. El conjunto de todos los genes se conoce como genoma.

La mayoría de los procariotas (células sin núcleo) tienen un genoma formado por una sola molécula continua circular de ADN. Con independencia de su simplicidad aparente la molécula de ADN de algunas bacterias puede ser unas 500 veces más larga que la propia célula, de modo que esta estructura "simple" está cuidadosamente empacada para que quepa en la célula, y aunque el ADN no se encuentra en un núcleo, su compactación forma lo que se conoce como nucleoide, que es distinta al citoplasma que lo rodea, aunque no esté separada del resto del interior de la célula por alguna membrana. Por su parte, los organismos eucariotas (células con núcleo) el ADN está dentro del núcleo, una estructura especializada rodeada por una doble membrana. La función del ADN en ambos tipos de células es similar, contener los genes que codifican la síntesis de las proteínas que produce la célula.

La evolución que condujo a las células eucariotas trajo como consecuencia un genoma mucho más complejo, y la información contenida en la solitaria molécula de ADN de los procariotas está ahora almacenada en múltiples estructuras lineales llamadas cromosomas, todos incluidos dentro de un núcleo. La cantidad de ADN de estas células puede ser aun mayor, presentando con ello la necesidad de una compactación superior, lo que fue resuelto al acoplar el ADN a ciertas proteínas para formar complejos que se empacaron separadamente en los cromosomas.

La primera observación de los cromosomas fue hecha por el embriólogo alemán Walther Fleming en 1882 utilizando un microscopio primitivo. Desde el descubrimiento inicial se han encontrado cromosomas en todos los organismos eucariotas examinados, aunque su número varía grandemente de unas especies a otras. Unos pocos organismos tienen solo un par de cromosomas mientras que algunos helechos pueden tener más de 500 pares, sin embargo, típicamente la cantidad de cromosomas en la mayor parte de los eucariotas está entre 10 y 50. En los seres humanos las células tienen 46 cromosomas incluidos en 23 pares casi idénticos y cada uno de los cuales contienen cientos de miles de genes que juegan un rol clave en la determinación de como funciona y se desarrolla el cuerpo.

Los cromosomas, en el estado normal de la célula (fuera del período de división celular) están extendidos en forma de una cadena filiforme (como hebras) llamada cromatina, que son complejos de ADN con proteínas los que en la mayoría de los cromosomas presenta un 40% de ADN y un 60% de proteínas. Este arreglo abierto permite a las proteínas adjuntarse a una secuencia específica de nucleótidos a lo largo del ADN y con ello regular la expresión de los genes. Sin esta estructura abierta el ADN no podría regular las actividades del día a día de la célula.

Durante todas las actividades de la célula, los cromosomas están asociados a grupos de proteínas denominadas histonas que sirven como empaque del ADN. Cuando la célula está funcionado normalmente, el ADN está enrollado flojamente alrededor de grupos de histonas formando los nucleosomas. Esta estructura general recuerda un collar de cuentas, en la cual cada nucleosoma equivale a una cuenta del collar (figura 2). La flojedad del ADN alrededor de las histonas permite a las enzimas hacer copias de ARN del ADN y con esta información copiada del ADN contenida en el ARN dirigir la síntesis de proteínas. Cuando la célula se prepara para dividirse, el ADN se bobina sobre las histonas de manera mucho más apretada adquiriendo una forma cada vez más condensada hasta que el ADN termina por convertirse en una masa compacta cuyos cromosomas pueden ser observados con un microscopio óptico. Una vez hecha la división, los cromosomas eucariotas se aflojan y desenrollan y ya no pueden observarse al microscopio óptico.

figura 2
Figura 2. Niveles de organización del cromosoma eucariota

Si hurgamos en la intimidad del núcleo celular con un microscopio electrónico podemos encontrar que el ADN recuerda un collar de cuentas. Cada 200 nucleótidos la doble hélice del ADN se bobina alrededor de un centro de 8 proteínas histonas formando un estructura compleja conocida como nucleosoma. Un bobinado adicional se produce cuando el collar de nucleosomas se envuelve sobre sí mismo para formar lo que se conoce como solenoide, este solenoide, de unos 30 nm, es la forma básica de la cromatina y el punto de partida para otra compactación adicional que se produce durante la división celular. En esta última compactación la cromatina en el solenoide se arregla adicionalmente alrededor de un andamiaje de proteínas que se ensambla en ese momento. La naturaleza exacta de tal arreglo que conduce a la nueva compactación no se conoce.

figura 3
Figura 3. El cariotipo humano.

Cariotipo

Los cromosomas pueden variar mucho de unas especies a otras, e incluso en ocasiones entre unos individuos y otros de la misma especie. Las diferencias pueden radicar en el tamaño, la forma, la posición del centrómero (un estrechamiento que aparece en todos los cromosomas), la longitud de los dos brazos que nacen a cada lado del centrómero, la posición de zonas más estrechas en los brazos y las propiedades de tintura. El arreglo particular de los cromosomas que un individuo posee es su cariotipo. La figura 3 muestra la marcada diferencia entre los cromosomas humanos como pueden verse por un tiempo breve durante la reproducción celular.

En genética se conoce como número haploide (n) a la cantidad de cromosomas que tiene una especie, es decir, el número total de cromosomas que son necesarios para para definir un organismo. En los humanos y en otras muchas especies, la cantidad normal de cromosomas en una célula se refiere como número diploide (2n) y esto está vinculado a la contribución por igual que hacen en la descendencia la madre y el padre, dotándola de un juego completo de cromosomas maternales y otro de cromosomas paternales. Se dice que los cromosomas maternos y paternos son homólogos por lo que cada cromosoma en el ser humano tiene dos homólogos, así tenemos entonces que se reciben 23 cromosomas de la madre y 23 del padre para formar el número diploide 46. Note en la figura 3 los dos homólogos en cada uno de los 23 cromosomas humanos.

figura 4
Figura 4. Los cromosmas homólogos y su diferencia con las cromátidas hermanas.

Cuando las células se van a reproducir resulta indispensable primero replicar cada uno de los cromosomas y así obtener el mismo genoma en las dos células hermanas producto de la división celular. Antes de la réplica todos los cromosomas en los eucariotas tienen un estrechamiento formado por un área compacta denominada centrómero. Después de la réplica cada uno de los cromosomas presenta dos cromátidas hermanas que parecen compartir un mismo centrómero. La figura 4 muestra la diferencia entre los cromosomas homólogos y las cromátidas hermanas. Note que los homólogos son los dos cromosomas iguales que forman la pareja (uno del padre y otro de la madre), mientras que las cromátidas son las dos réplicas de cada uno de los cromosomas las que se mantienen unidas por el centrómero una vez que se ha replicado el ADN.





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