13.1: ADN

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta lección podrás:

• Discuta cómo se combinan las moléculas de ribosa, fosfato, purina y pirimidina para formar una cadena de ADN.
• Resuma cómo se enrolla y empaqueta la hebra de ADN para convertirse en un cromosoma.
• Enumere los pasos en el ciclo celular y describa en qué parte del ciclo encontraría tipos particulares de células.

Introducción a los cromosomas

Vea este video para una introducción a los cromosomas (2:16)

Se han aprendido sobre dos tipos de meristemos: los meristemos apicales, que dan como resultado crecimiento primario, y los meristemos laterales, como el cambium vascular y el cámbium del corcho, que dan como resultado un crecimiento secundario. Los meristemas son sitios de división celular en plantas. Estas nuevas células pueden dividirse por sí mismas una o dos veces, pero luego comienzan a agrandarse y diferenciarse en células con función especializada dependiendo del tipo de tejido en el que se presenten. (Las células del parénquima son una excepción porque permanecen indiferenciadas. Pueden llegar a ser meristemáticos y dividirse para formar partes de plantas como raíces laterales, para formar cambium interfascicular, y para responder a las heridas rellenando el espacio con nuevas células llamadas tejido callo.)

Para que una célula se divida en dos células idénticas, es crítico que todos los componentes de la célula original se dupliquen antes de la división celular y luego se distribuyan entre las dos células hermanas antes de que se separen. También es crítico que el material hereditario, el ADN en los cromosomas nucleares, se duplique exactamente y se distribuya equitativamente entre las células hermanas. La duplicación exacta y la distribución equitativa aseguran que cada célula en el organismo tenga todas las instrucciones genéticas que necesita para llevar a cabo sus procesos metabólicos, y que cada célula del organismo tenga las mismas instrucciones.

El tipo de división celular que tiene lugar en los meristemos, que es el tipo en el que una célula se divide en dos células hermanas idénticas, se llama mitosis.

La división celular mitótica se observó por primera vez bajo microscopios ópticos hace más de 150 años. Los microscopistas, científicos que usan microscopios, notaron cuerpos celulares que tiñen la oscuridad alineados en medio de una célula que estaba a punto de dividirse. Llamaron a estas células cromosomas (basados en el latín para tinción oscura, “khrôma” y cuerpos, “sôma”). Una vez alineados en el centro de la célula, los cromosomas se dividieron y se movieron a polos opuestos en la célula justo antes de la división real de la célula en dos células hermanas. A esos científicos les quedó claro que el proceso de división celular aseguró que los cromosomas fueran manejados especial y cuidadosamente durante la división celular. En 1902, Water Sutton, estudiando saltamontes, proporcionó pruebas (lectura opcional) de que los cromosomas contenían el material hereditario para el organismo. Es por eso que la división celular incluye una división tan cuidadosa de los cromosomas —el organismo necesita asegurarse de que cada célula tenga una copia exacta de todo el material hereditario asociado a ese organismo.

¿Qué compone estos cromosomas? La respuesta corta es que los cromosomas que se encuentran en el núcleo de las células vegetales están compuestos por cromatina (lectura opcional). La cromatina se compone de ADN envuelto alrededor de proteínas, llamadas histonas. Estas proteínas alrededor de las cuales las envolturas de ADN se llaman histonas. Comenzaremos con la estructura del ADN y construiremos hasta un cromosoma.

Estructura del ADN

Vea este video para una explicación de la estructura del ADN (4:35)

Diagrama molecular de ADN. Thomas Shafee. CC BY 4.0

El ADN es un polímero químico bicatenario (un polímero es varios tipos de moléculas unidas entre sí) que parece una escalera flexible retorcida en su eje largo. Cada lado, o cadena simple de la escalera, está formado por una cadena de moléculas alternas de ribosa y fosfato. La ribosa es una molécula de azúcar compuesta por un anillo de cinco carbonos. Estas moléculas están unidas entre sí por una molécula de fosfato compuesta por un átomo de fósforo y dos átomos de oxígeno. Esta secuencia de moléculas de ribosa y fosfato constituye lo que se llama la cadena principal de ribosa y fosfato del ADN.

Los escalones, o peldaños, de la escalera se construyen a partir de pares de bases. Cuatro tipos de estas bases componen ambas cadenas de ADN. Dos de las bases, llamadas colectivamente purinas —Adenina (A) y Guanina (G )— contienen dos anillos de átomos de carbono. Las otras dos, llamadas colectivamente pirimidinas —citosina (C) y timina (T )— tienen solo un anillo de átomos de carbono. Hay suficiente espacio entre los lados de la escalera (o esqueleto de ribosa-fosfato) para encajar dos bases con un total de tres anillos de carbono, por lo que cada peldaño de la escalera siempre tiene una purina unida a una pirimidina.

Estructura del ADN. OpenStax. CC BY 3.0

No hay suficiente espacio para dos purinas, y hay demasiado espacio para dos pirimidinas. Y debido a las estructuras moleculares de las bases, la adenina (A) siempre se une con la timina (T), porque cada una puede compartir dos enlaces de hidrógeno, y la citosina (C) siempre se une con la guanina (G), porque cada una puede compartir tres enlaces de hidrógeno.

Como consecuencia, los peldaños de la escalera siempre están formados por AT, TA, GC o CG. Y la secuencia u orden de As, Ts, Gs y Cs que componen los peldaños a lo largo de una hebra de la escalera es el código genético que lleva en el ADN. Con raras excepciones, el código se lee de tres bases a la vez y codifica toda la información para el ciclo de vida de una planta.

Preguntas de revisión

1. Si sabes que un peldaño de la escalera de ADN tiene la base Adenina, entonces la otra base a la que está unida es la Timina. ¿Por qué no Guanina? ¿Por qué no citosina?
2. Damos por sentado ahora que los cromosomas son el material hereditario en las plantas. ¿Cuándo se comprobó esto? A) hace unos 15 años cuando se desarrollaron los primeros alimentos genéticamente modificados, B) alrededor del momento en que se desarrolló la bomba atómica, C) justo antes de la Primera guerra Mundial, o D) cuando Mendel estaba haciendo experimentos con guisantes y descubriendo sus principios de herencia.
3. ¿Por qué la forma del ADN se llama doble hélice?

Nucleosomas

Vea este video para una descripción de los nucleosomas (2:46)

Nucleosoma. Darekk2. CC BY-SA 3.0

Ahora tenemos una hélice de ADN compuesta por rieles alternos de ribosa y fosfato con peldaños que contienen una purina y una pirimidina. La cadena de hélice de ADN se enrolla alrededor de nucleosomas (lectura opcional) que están formados por proteínas histonas (ilustración anterior). Las proteínas histonas son esencialmente las bobinas alrededor de las cuales se envuelve el hilo de ADN, excepto que el ADN no se envuelve continuamente alrededor de una proteína histona de la manera en que el hilo se envuelve alrededor de un carrete. Hace un par de bucles y luego pasa a la siguiente proteína histona.

Los bucles de ADN alrededor de estos nucleosomas están separados por porciones de ADN desnudo llamadas ADN enlazador, por lo que el efecto se llama “perlas en una cadena” (ver micrografía a continuación). donde las perlas son los bucles de ADN y la proteína histona, y la cadena es la cadena de ADN enlazador. Esta descripción se remonta a los primeros días de la exploración del ADN mediante microscopía óptica. Los cromosomas se observaron con ayuda del microscopio y se describieron, pero se desconocía su composición.

Los corchetes negros resaltan los nucleosomas individuales; las puntas de flecha negras apuntan a las partículas del núcleo del nucleosoma (las perlas), las puntas de flecha blancas al ADN enlazador (la cadena). Barra de escala: 50 nm. Chris Woodcock. CC BY-SA 3.0

La estructura de “perlas en una cuerda” se enrosca adicionalmente en una fibra de cromatina de 30 nm (nm=nanómetro, una billonésima parte de metro), que se pliega aún más, con la asociación de otras proteínas, para formar el cromosoma.

Un cromosoma, entonces, está formado por ADN que se ha enrollado alrededor de las proteínas histonas, luego enrollado, luego plegado. Piense en un cromosoma como un largo hilo de ADN apretado y cuidadosamente empaquetado que se asocia con proteínas histonas para ayudar con el empaque.

Aquí hay un diagrama de este enrollamiento:

Enrosamiento cromosómico. OpenStax. CC BY 4.0

Cromátidas hermanas. Renderización 3D Cromosoma X e Y con Telómeros © Shutterstock, usado con permiso. Ilustración cromosómica simple por Prateek Pattanaik. CC BY-SA. Imágenes adaptadas por Emily Tepe.

Arriba está una representación de una micrografía de un cromosoma en la etapa de división celular, cuando el cromosoma está más altamente condensado (que es durante una fase de mitosis llamada metafase, como veremos más adelante) y compactamente empaquetado. En esta fase hay un arrollamiento extenso (el arrollamiento de ADN se llama “condensación”) de la cromatina (ADN + proteínas histonas). Tenga en cuenta que hay dos cromátidas hermanas. Justo antes de la división celular estas cromátidas hermanas se separarán en el centrómero (el punto constreñido donde están unidas) y se moverán a lados opuestos de la célula.

Es útil tener este detalle para que puedas reconocer dónde se encuentra el código genético en la molécula de ADN, y cómo el ADN se pliega y se condensa en un paquete apretado durante la división celular. Cuando una célula no se está dividiendo, partes del cromosoma se relajan, se despliegan y se desenrollan para que los pares de bases de ADN en partes específicas del cromosoma que proporcionan el código para funciones celulares específicas puedan abrirse, copiarse y el código se pueda traducir en proteínas que hacen el negocio metabólico de la célula, una fase llamada “interfase “). Durante la división celular, sin embargo, el paquete está fuertemente condensado (metafase).

Este sitio interactivo tiene una característica que le permite rotar la hélice de ADN (opcional). Busque lo siguiente:

• Anillo de ribosa de 5 carbonos que forma parte de la cadena principal
• fosfato que une los anillos de ribosa completando la cadena principal
• Base de purina de 2 anillos (una por peldaño)
• Base de pirimidina de 1 anillo (una por peldaño)
• enlaces de hidrógeno (dos o tres por peldaño dependiendo de la composición)

Preguntas de revisión

1. ¿Por qué crees que el cromosoma está tan condensado (es decir, envuelto y plegado) durante la metafase, que está en medio de la división celular? Piense en por qué un cromosoma podría necesitar estar muy apretado durante la división celular.
2. ¿Cuál es la conexión entre nucleosomas, ADN enlazador y perlas en una cuerda?

El ciclo celular

Mira este video sobre el ciclo celular (3:38)

A continuación se muestra un resumen esquemático del ciclo celular, el ciclo por el que atraviesa una célula durante su vida útil. Verás que aproximadamente 3/4 del ciclo se llama Interfase y el otro 1/4 se llama M (para mitosis). Como se señaló, durante la interfase la célula no se está dividiendo (pero puede estar preparándose para dividirse); la célula se divide durante M. La interfase se divide en tres partes: G1 (la “G” es la abreviatura de “Gap” o “Crecimiento”), S (S para “Síntesis” de ADN) y G2.

Ciclo celular. OpenStax. CC BY 4.0

Consulte esta página sobre el ciclo celular (lectura opcional) para obtener información adicional sobre el ciclo celular.

Las etapas en el ciclo celular son:

• G1 — las células se están agrandando, y algunas se están diferenciando en células especializadas como epidermis, collenquima, esclerénquima y células en el tejido del xilema y floema que ya no se dividirán. Estas células diferenciadas permanecen en G1 hasta la muerte.
• Los cromosomas S en células como las células del meristemo apical, el cambium vascular y del corcho, o las células del parénquima indiferenciado se preparan para dividirse replicando sus cromosomas. Para prepararse para la división, la célula realiza una copia completa de todo su ADN, por lo que en el proceso de copiar el ADN hay Síntesis de ADN. Una vez que se ha replicado un cromosoma, las dos copias se llaman cromátidas hermanas y se mantienen juntas en un punto llamado centrómero. Las cromátidas hermanas son exactamente iguales, hasta el orden exacto de las bases AT, TA, CG y GC en los peldaños de la columna vertebral del ADN.
• G2 — la celda construye la maquinaria química que necesita para la división.
• M — finalmente, las cabezas celulares hacia la mitosis (M), abordado a continuación.

Tenga en cuenta que el tamaño de las rebanadas de pastel en el diagrama anterior no son indicativas de la duración real del tiempo.

Preguntas de revisión

1. ¿Dónde colocarías las células mesófilas esponjosas foliares en el ciclo celular? ¿Por qué?
2. ¿Dónde colocarías las celdas de cambium de corcho? ¿Por qué?