10.1: División celular

Habilidades para Desarrollar

• Describir la estructura de los genomas procariotas y eucariotas
• Distinguir entre cromosomas, genes y rasgos
• Describir los mecanismos de compactación cromosómica

La continuidad de la vida de una célula a otra tiene su fundamento en la reproducción de las células a través del ciclo celular. El ciclo celular es una secuencia ordenada de eventos que describe las etapas de la vida de una célula desde la división de una sola célula parental hasta la producción de dos nuevas células hijas. Los mecanismos involucrados en el ciclo celular están altamente regulados.

ADN genómico

Antes de discutir los pasos que una célula debe emprender para replicarse, es necesario un entendimiento más profundo de la estructura y función de la información genética de una célula. El ADN de una célula, empaquetado como una molécula de ADN bicatenario, se llama su genoma. En procariotas, el genoma está compuesto por una molécula de ADN monocatenaria doble en forma de bucle o círculo (Figura\(\PageIndex{1}\)). La región en la célula que contiene este material genético se denomina nucleoide. Algunos procariotas también tienen bucles de ADN más pequeños llamados plásmidos que no son esenciales para el crecimiento normal. Las bacterias pueden intercambiar estos plásmidos con otras bacterias, recibiendo en ocasiones nuevos genes beneficiosos que el receptor puede agregar a su ADN cromosómico. La resistencia a antibióticos es un rasgo que a menudo se propaga a través de una colonia bacteriana a través del intercambio

Figura\(\PageIndex{1}\): Los procariotas, incluyendo bacterias y arqueas, tienen un solo cromosoma circular localizado en una región central llamada nucleoide.

En eucariotas, el genoma consiste en varias moléculas de ADN lineal bicatenario (Figura\(\PageIndex{2}\)). Cada especie de eucariotas tiene un número característico de cromosomas en los núcleos de sus células. Las células del cuerpo humano tienen 46 cromosomas, mientras que los gametos humanos (espermatozoides u óvulos) tienen 23 cromosomas cada uno. Una célula corporal típica, o célula somática, contiene dos conjuntos coincidentes de cromosomas, una configuración conocida como diploide. La letra n se usa para representar un solo conjunto de cromosomas; por lo tanto, un organismo diploide se designa 2 n. Las células humanas que contienen un conjunto de cromosomas se denominan gametos, o células sexuales; estas son óvulos y espermatozoides, y se designan 1 n, o haploides.

Figura\(\PageIndex{2}\): Hay 23 pares de cromosomas homólogos en una célula somática humana femenina. Los cromosomas condensados se ven dentro del núcleo (parte superior), se retiran de una célula en mitosis y se extienden sobre un portaobjetos (derecha), y se disponen artificialmente según la longitud (izquierda); una disposición como esta se llama cariotipo. En esta imagen, los cromosomas se expusieron a tinciones fluorescentes para la diferenciación de los diferentes cromosomas. Un método de tinción llamado “pintura cromosómica” emplea tintes fluorescentes que resaltan cromosomas en diferentes colores. (crédito: Proyecto Nacional del Genoma Humano/NIH)

Los pares emparejados de cromosomas en un organismo diploide se denominan cromosomas homólogos (“mismo conocimiento”). Los cromosomas homólogos tienen la misma longitud y tienen segmentos de nucleótidos específicos llamados genes exactamente en la misma ubicación, o locus. Los genes, las unidades funcionales de los cromosomas, determinan características específicas codificando proteínas específicas. Los rasgos son las variaciones de esas características. Por ejemplo, el color del cabello es una característica con rasgos que son rubios, marrones o negros.

Cada copia de un par homólogo de cromosomas se origina a partir de un progenitor diferente; por lo tanto, los genes en sí mismos no son idénticos. La variación de individuos dentro de una especie se debe a la combinación específica de los genes heredados de ambos padres. Incluso una secuencia ligeramente alterada de nucleótidos dentro de un gen puede resultar en un rasgo alternativo. Por ejemplo, hay tres posibles secuencias génicas en el cromosoma humano que codifican para el tipo de sangre: secuencia A, secuencia B y secuencia O. Debido a que todas las células humanas diploides tienen dos copias del cromosoma que determina el tipo de sangre, el tipo de sangre (el rasgo) está determinado por el cual dos versiones del marcador se heredan. Es posible tener dos copias de la misma secuencia génica en ambos cromosomas homólogos, con una en cada uno (por ejemplo, AA, BB u OO), o dos secuencias diferentes, como AB.

Las variaciones menores de rasgos, como el tipo de sangre, el color de los ojos y la mano, contribuyen a la variación natural que se encuentra dentro de una especie. Sin embargo, si se compara la secuencia de ADN completa de cualquier par de cromosomas homólogos humanos, la diferencia es inferior al uno por ciento. Los cromosomas sexuales, X e Y, son la única excepción a la regla de uniformidad cromosómica homóloga: Aparte de una pequeña cantidad de homología que es necesaria para producir con precisión gametos, los genes que se encuentran en los cromosomas X e Y son diferentes.

Estructura cromosómica eucariota y compactación

Si el ADN de los 46 cromosomas en un núcleo de célula humana estuviera dispuesto de extremo a extremo, mediría aproximadamente dos metros; sin embargo, su diámetro sería de solo 2 nm. Considerando que el tamaño de una célula humana típica es de aproximadamente 10 µm (100,000 células alineadas hasta igualar un metro), el ADN debe estar estrechamente empaquetado para que encaje en el núcleo de la célula. Al mismo tiempo, también debe ser fácilmente accesible para que los genes se expresen. Durante algunas etapas del ciclo celular, las largas cadenas de ADN se condensan en cromosomas compactos. Hay una serie de formas en que los cromosomas se compactan.

En el primer nivel de compactación, tramos cortos de la doble hélice de ADN se envuelven alrededor de un núcleo de ocho proteínas histonas a intervalos regulares a lo largo de toda la longitud del cromosoma (Figura\(\PageIndex{3}\)). El complejo ADN-histona se llama cromatina. El complejo de ADN de histona similar a perlas se llama nucleosoma, y el ADN que conecta los nucleosomas se llama ADN enlazador. Una molécula de ADN en esta forma es aproximadamente siete veces más corta que la doble hélice sin las histonas, y las perlas tienen aproximadamente 10 nm de diámetro, en contraste con el diámetro de 2 nm de una doble hélice de ADN. El siguiente nivel de compactación ocurre a medida que los nucleosomas y el ADN enlazador entre ellos se enrollan en una fibra de cromatina de 30 nm. Este arrollamiento acorta aún más el cromosoma de manera que ahora es aproximadamente 50 veces más corto que la forma extendida. En el tercer nivel de empaque, se utiliza una variedad de proteínas fibrosas para empacar la cromatina. Estas proteínas fibrosas también aseguran que cada cromosoma en una célula que no se divide ocupe un área particular del núcleo que no se solapa con la de ningún otro cromosoma (ver la imagen superior en la Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): El ADN bicatenario se envuelve alrededor de las proteínas histonas para formar nucleosomas que tienen la apariencia de “perlas en una cuerda”. Los nucleosomas se enrollan en una fibra de cromatina de 30 nm. Cuando una célula sufre mitosis, los cromosomas se condensan aún más.

El ADN se replica en la fase S de la interfase. Después de la replicación, los cromosomas están compuestos por dos cromátidas hermanas enlazadas. Cuando están completamente compactos, los pares de cromosomas empaquetados idénticamente se unen entre sí por proteínas cohesin. La conexión entre las cromátidas hermanas es la más cercana en una región llamada centrómero. Las cromátidas hermanas unidas, con un diámetro de aproximadamente 1 µm, son visibles bajo un microscopio óptico. La región centromérica está altamente condensada y así aparecerá como un área constreñida.

Enlace al aprendizaje

Esta animación ilustra los diferentes niveles de empaquetamiento cromosómico.

Resumen

Los procariotas tienen un solo cromosoma circular compuesto por ADN bicatenario, mientras que los eucariotas tienen múltiples cromosomas lineales compuestos por cromatina rodeados por una membrana nuclear. Los 46 cromosomas de células somáticas humanas están compuestos por 22 pares de autosomas (pares emparejados) y un par de cromosomas sexuales, los cuales pueden o no ser emparejados. Este es el estado 2 n o diploide. Los gametos humanos tienen 23 cromosomas o un conjunto completo de cromosomas; un conjunto de cromosomas se completa con cualquiera de los cromosomas sexuales. Este es el estado n o haploide. Los genes son segmentos de ADN que codifican para una proteína específica. Los rasgos de un organismo están determinados por los genes heredados de cada progenitor. Los cromosomas duplicados están compuestos por dos cromátidas hermanas. Los cromosomas se compactan usando una variedad de mecanismos durante ciertas etapas del ciclo celular. Varias clases de proteínas están involucradas en la organización y empaquetamiento del ADN cromosómico en una estructura altamente condensada. El complejo condensante compacta los cromosomas, y la estructura condensada resultante es necesaria para la segregación cromosómica durante la mitosis.

Glosario

ciclo celular

secuencia ordenada de eventos por los que pasa una célula entre una división celular y la siguiente

centrómero

región en la que las cromátidas hermanas están unidas entre sí; un área constreñida en los cromosomas condensados

cromátida

una sola molécula de ADN de dos cadenas de ADN duplicado y proteínas asociadas mantenidas juntas en el centrómero

diploide

célula, núcleo u organismo que contiene dos conjuntos de cromosomas (2 n)

gameto

célula reproductiva haploide o célula sexual (esperma, grano de polen u óvulo)

gen

unidad física y funcional de la herencia, una secuencia de ADN que codifica para una proteína.

genoma

información genética total de una célula u organismo

haploide

célula, núcleo u organismo que contiene un conjunto de cromosomas (n)

histona

una de varias proteínas básicas similares, altamente conservadas, de bajo peso molecular que se encuentran en la cromatina de todas las células eucariotas; se asocia con el ADN para formar nucleosomas

cromosomas homólogos

cromosomas de la misma morfología con genes en la misma ubicación; los organismos diploides tienen pares de cromosomas homólogos (homólogos), con cada homólogo derivado de un progenitor diferente

locus

posición de un gen en un cromosoma

nucleosoma

subunidad de cromatina compuesta por una longitud corta de ADN envuelta alrededor de un núcleo de proteínas histonas