Ácidos Nucleicos, Cromosomas y Expresión Génica: Biología Molecular Detallada

Ácidos Nucleicos, Cromosomas y Expresión Génica

Na segunda metade do s.XX coñeceuse a estrutura dos cromosomas (portadores da información xenética). Os xenes (nos cromosomas) son fragmentos de ADN, molécula que leva a información necesaria.

ADN: A Molécula da Vida

O ADN é a molécula portadora da información xenética, controla a aparición dos caracteres a través da síntese de proteínas. Mediante a duplicación ou replicación, permite transmitir a información ás células fillas.

A Molécula de ADN

O ADN presenta unha dobre hélice formada por dúas cadeas de nucleótidos complementarias.

O ADN está formado por nucleótidos. Cada un fórmase pola unión dun azucre (desoxirribosa), un grupo fosfato e unha base nitroxenada, que existen catro tipos: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G).

Os nucleótidos únense entre si, mediante un enlace entre o grupo fosfato dun nucleótido e o azucre do seguinte.

O Modelo da Dobre Hélice

En 1953, Francis Crick e James Watson, apoiándose en traballos de Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, propuxeron un modelo de estrutura do ADN. Segundo este modelo:

• Molécula de ADN: formada por 2 cadeas de nucleótidos enroladas en forma de hélice.
• Bases nitroxenadas: sitúanse cara ao interior da hélice.
• Azucres e grupos fosfato forman o esqueleto.
• As 2 cadeas mantéñense unidas mediante enlaces débiles que se establecen entre as bases dos nucleótidos.
• As bases nitroxenadas non se unen de forma aleatoria: a timina coa adenina, e a citosina coa guanina.
• As cadeas son complementarias: a sucesión de bases dunha cadea de nucleótidos determina a sucesión na outra. Isto é a base para a replicación do ADN.

A Molécula de ARN

O ARN é un ácido nucleico cuxas principais características son:

• É monocatenario (non forma dobres cadeas, salvo nalgúns virus).
• Constituído por nucleótidos formado pola unión dun azucre (ribosa), grupo fosfato e base nitroxenada que pode ser adenina (A), uracilo (U), guanina (G) ou citosina (C).
• Febras de ARN son de menor tamaño porque teñen menor número de nucleótidos.
• A súa estrutura tridimensional pode ser moi complexa.

Distintos tipos:

• ARN mensaxeiro (ARNm): sintetízase no núcleo a partir do ADN e leva a información para fabricar proteínas no citoplasma.
• ARN ribosómico (ARNr): formado por moléculas de distintos tamaños que forman a estrutura dos ribosomas.
• ARN transferente (ARNt): interve na síntese de proteínas ao transportar os aminoácidos ata os ribosomas.

Cromosomas: Empaquetando o ADN

Os cromosomas son estruturas formadas por histonas (condensación ADN e proteínas) que aparecen cando a célula se vai dividir.

Nos eucariotas, o xenoma está formado por varias cadeas distintas de ADN. Durante a división celular, cada unha destas moléculas de ADN empaquétase e enrólase sobre si mesma ata dar un cromosoma. Todas as eucariotas cumpren:

• Todas as células dos individuos da mesma especie teñen o mesmo número de cromosomas, constantes a forma e o tamaño. O ser humano ten 46; o can, 78; algunhas plantas, máis de 500.
• Na dotación cromosómica distínguense dúas series ou parellas de cromosomas. Aos cromosomas de cada parella chamámoslles cromosomas homólogos.

Número de parellas de cromosomas - número haploide (n), Número total (dúas series) diploide (2n). Todos os do reino animal son diploides.

Existen outros seres vivos que son haploides e outros poliploides. Nos cromosomas sexuais as células dos individuos dun determinado sexo teñen unha parella que non son parecidos.

Ao resto de cromosomas da célula chamámoslle autosomas. Nestes, o sexo do organismo dase polos cromosomas sexuais. As células dun can, 78, encóntranse en dúas series n = 39, 38 pares son autosomas e 1 par son cromosomas sexuais.

Tipos de Cromosomas

Os cromosomas clasifícanse pola posición do centrómero con respecto aos brazos:

• Metacéntricos: centrómero situado na parte media do cromosoma. Brazos case da mesma lonxitude.
• Submetacéntricos: desprazado cara a un dos lados. Brazos lixeiramente desiguais.
• Acrocéntricos: moi desprazado cara a un dos extremos do cromosoma, fai que os brazos sexan moi desiguais.
• Telocéntrico: localízase nun dos extremos do cromosoma, só é visible un brazo.

O Cariotipo

O cariotipo é o conxunto de todos os cromosomas illados dunha célula e reflicte o número, tipo e estrutura dos cromosomas dunha especie. Nun cariotipo, os autosomas colócanse ordenados por parellas de parecidos, de maior a menor, e os cromosomas sexuais sitúanse ao final.

Expresión dos Xenes: Síntese de Proteínas

Transcrición

As proteínas sintetízanse nos ribosomas, que se encontran no citoplasma celular (libres ou adheridos ao RE). O ADN permanece no núcleo da célula, debe existir un mecanismo que lle permita «trasladar» esa información ata o citoplasma.

Sucede no núcleo da célula onde a información almacenada no ADN se transfire a unha molécula de ARN mensaxeiro.

O Código Xenético

O código xenético é a correspondencia entre os codóns de ARNm e os aminoácidos que forman proteínas.

Cada trío de nucleótidos consecutivos, chamado codón ou triplete, correspóndese cun aminoácido. O código xenético está dexenerado, é dicir, varios tripletes distintos poden codificar un mesmo aminoácido.

A Tradución

A tradución consiste na síntese dunha molécula de proteína, segundo o código contido na molécula de ARNm transcrito a partir dunha secuencia de ADN.

Ten lugar no citoplasma e realízana os ribosomas. Neste proceso tamén interve o ARNm, que se formou na transcrición, e unha de ARNt, que se encarga de transportar os aminoácidos ata o ribosoma. Os ribosomas leen ARN.

Hai un ARNt para cada un dos aminoácidos. Esta contén na súa estrutura un conxunto de tres nucleótidos denominado anticodón. As bases do anticodón do ARNt son complementarias ás do codón do ARNm.

Ciclo Celular

Son as fases nas que se pode dividir a vida dunha célula. Nas células eucariotas, o ciclo celular é moi complexo. Divídese en: interfase e fase mitótica.

A Interfase

A interfase é a etapa longa durante a cal a célula crece, duplica o seu ADN e se prepara para a división. Sepárase en fase G1, S e G2.

• Fase G1: a célula filla acaba de nacer, prodúcese crecemento celular, duplícanse o número de orgánulos e estruturas citoplasmáticas.
• Fase S: a célula realiza unha copia exacta do seu material xenético (duplicación ou replicación).
• Fase G2: a célula experimenta unha nova etapa de crecemento e alcanza o tamaño adecuado para a división celular. Os centríolos duplícanse nesta etapa.

Fase Mitótica

Na fase mitótica a célula divide o núcleo e citoplasma.

• Mitose: a célula divide o seu núcleo, reparte o material xenético entre as dúas células que se están formando. Consta de: profase, metafase, anafase e telofase.
• Citocinese: a célula divide o seu citoplasma e orgánulos entre as dúas células fillas que conteñen idéntica dotación cromosómica que a nai.

Replicación do ADN

A replicación do ADN é o proceso polo cal se sintetizan dúas copias idénticas do ADN.

• É semiconservativa: a dobre hélice desenrólase e cada cadea serve de «molde» para construír unha complementaria.
• Lévaa a cabo un enzima específico, une nucleótidos seguindo a secuencia da cadea molde.
• Ao rematar, teñen formado 2 dobres hélices idénticas. Repártense entre cada célula filla.

1. A dobre hélice desenrólase e a molécula ábrese separando as dúas cadeas.
2. A cadea de ADN duplícase, servindo de molde para fabricar unha nova complementaria mediante o acoplamento dos nucleótidos.
3. As novas moléculas enrólanse en espiral formando a estrutura de dobre hélice. O resultado son dúas novas dobres hélices, (copia exacta da molécula de partida).

Mitose

A mitose é o proceso a través do cal se produce a división do núcleo da célula.

Significado biolóxico da mitose, función nos organismos:

• Pluricelulares: permitir o crecemento do individuo mediante divisións sucesivas e a renovación das células deterioradas.
• Unicelulares: mecanismo de reprodución asexual, permite aumentar o número da especie.

Profase

• Cada par de centríolos vai a un lado da célula, entre eles forma o fuso acromático (FA) (grupo de fibras do citoesqueleto que se dirixen cara o outro extremo).
• A envoltura nuclear desintégrase.
• O ADN condénsase en forma de cromosomas, formados por dúas cromátides irmás.

Metafase

• Os centríolos mantéñense nos polos opostos da célula.
• Os compoñentes da envoltura nuclear están dispersos polo citoplasma.
• Os cromosomas sitúanse no ecuador da célula e únense ás fibras do fuso acromático.

Anafase

• Os centríolos acurtan as fibras do FA, tirando dos cromosomas en direccións opostas.
• Os compoñentes da membrana nuclear continúan dispersos polo citoplasma.
• Sepáranse as dúas cromátides irmás de cada cromosoma, indo aos polos da célula.

Telofase

• Os centríolos acurtan as fibras do FA ata que este se desintegra.
• Fórmase nova envoltura nuclear arredor de cada conxunto de cromosomas.
• O ADN das cromátides comeza a descondensarse ata volver a encontrarse en forma.

Citocinese

A citocinese é o proceso polo que a célula divide o citoplasma e orgánulos entre as 2 células fillas.

• Varía dun tipo celular a outro, debido á diferente estrutura das envolturas externas.
• Nas células eucariotas animal: envoltas pola membrana plasmática, poden deformarse fácil.
• Nas células eucariotas vexetal: membrana rodeada dunha grosa e ríxida parede celular, que impide a deformación.

En célula animal:

• O citoplasma divídese por estrangulamento da membrana.
• Fórmase un anel no ecuador da célula que se vai estreitando.
• A membrana rompe, dividindo a célula en dúas células fillas.

En célula vexetal:

• A parede celular impide o estrangulamento.
• A división do citoplasma realízase mediante a formación do fragmoplasto (tabique).
• O tabique progresa desde o centro cara ao exterior formando a parede celular entre as células fillas.

Reprodución Sexual

Na reprodución sexual requírense dous proxenitores para formar un novo individuo, un descendente é a combinación das características dos seus proxenitores. Teñen dous tipos de células:

• As que forman parte do corpo: células somáticas, son diploides (2n).
• As células especializadas na reprodución: células xerminais, que son diploides (2n).

A través da meiose (proceso especial), dan lugar aos gametos, que son haploides (n).

Na fecundación, o gameto masculino (n) únese ao feminino (n), para dar lugar ao cigoto (2n); forma unha célula co mesmo número de cromosomas que os proxenitores.

Meiose

A meiose forma células haploides. Mediante este proceso fórmanse os gametos.

Significado biolóxico da meiose:

• Proceso indispensable para reducir á metade o número de cromosomas durante a formación de gametos. A partir de diploides (2n), con 2 xogos de cromosomas, obtéñense haploides (n), cun único xogo.
• Prodúcese o entrecruzamento, este intercambio de información fai que se obteñan células xeneticamente distintas á nai, isto xera variabilidade xenética (modificacións na información xenética que producen a diversidade xenética).

O proceso da meiose: consta de dúas divisións consecutivas:

• A primeira división meiótica separa as parellas de cromosomas homólogos.
• A segunda división meiótica separa as dúas cromátides irmás de fase ll, tras a que se produce a citocinese de cada cromosoma.

A Formación de Gametos e a Meiose

As células xerminais dan lugar aos gametos, mediante a gametoxénese, (proceso de meiose).

Nos animais: a espermatoxénese produce os espermatozoides, e a ovoxénese os óvulos.

Espermatoxénese

• Primeira div. meiótica: sepáranse os cromosomas homólogos entre as 2 células fillas.
• Segunda div. meiótica: repártense as cromátides de cada cromosoma entre as células fillas. As células fillas maduran ata formar espermatozoides (n).

Ovoxénese

• Primeira div. meiótica: sepáranse os cromosomas homólogos e ten lugar unha distribución desigual do citoplasma. A célula + é o oocito, e a -, o corpúsculo polar.
• Segunda división meiótica: repártense as cromátides de cada cromosoma entre as células fillas. Resultado: formación dun óvulo (n) e tres corpúsculos polares (n).

Primeira División Meiótica

Profase I

É a etapa máis longa da meiose.

1. As fibras de cromatina condénsanse e fórmanse os cromosomas. Cada un recoñece o seu homólogo e emparéllase con el pechándose como unha cremalleira na sinapse.
2. Prodúcese un entrecruzamento (intercambio de fragmentos entre as cromátides non irmás / intercambio de información hereditaria entre cromosomas).

Metafase I

• As parellas de cromosomas homólogos mantéñense unidas polos puntos de entrecruzamento e sitúanse no ecuador da célula suxeitos aos filamentos do fuso.

Anafase I

1. As fibras do fuso acúrtanse e separan os cromosomas de cada parella de homólogos, que se dirixen aos polos opostos.
2. Ao separarse, os brazos entrecruzados levan os fragmentos das cromátides non irmás, como consecuencia da recombinación xenética.

Telofase I e Citocinese

1. As fibras do fuso desaparecen e os cromosomas descondénsanse.
2. Fórmase de novo a membrana nuclear.
3. O citoplasma divídese e fórmanse 2 células fillas.

Segunda División Meiótica

Profase II

1. Prodúcese nas dúas células resultantes da primeira división. Sen pasar por unha interfase desaparece a membrana do núcleo e vólvense visualizar os cromosomas.

Metafase II

1. Os cromosomas sitúanse no ecuador da célula e forman a placa ecuatorial.

Anafase II

1. As dúas cromátides de cada cromosoma sepáranse e migran, cada unha a un polo celular.

Telofase II e Citocinese

1. Os cromosomas descondénsanse e fórmase a cromatina.
2. Constitúese a membrana nuclear.
3. Tras a telofase, dase a división do citoplasma e a repartición de orgánulos entre as células fillas.
4. Resultado: fórmanse catro células fillas n (coa metade de cromosomas que a célula nai).