Cromatina

Cromatina
n., plural: cromatinas

Definición: Un complejo de ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN o ARN) y proteínas (por ejemplo, histonas)

Cromatina Definición

¿Qué es la cromatina en una célula? La cromatina es un complejo de ácidos nucleicos (por ejemplo, ADN o ARN) y proteínas (por ejemplo, histonas). Se identificó en 1882. Inicialmente, se pensaba que era solo una sustancia coloreada en un núcleo, sin embargo, más tarde se descubrió que la cromatina se caracteriza por ser proteínas unidas al ADN, y se identificó al ADN como el portador de la información genética (Ma, Kanakousaki y Buttitta 2015). Así, podemos definir la cromatina como una sustancia formada por ADN y proteínas asociadas (conocidas como histonas).

¿Qué son las histonas?

Las histonas son proteínas básicas de carga positiva que se unen a las moléculas de fosfato de carga negativa del ADN. Hay dos elementos principales en una cromatina, es decir, el ADN de la célula y las proteínas asociadas. Las proteínas asociadas se conocen como histonas. O podemos decir que la cromatina contiene proteínas llamadas histonas.

La cromatina es un material de embalaje para el ADN. Si no está bien empaquetada, puede enredarse sobre sí misma o dañarse durante la división celular. El tamaño de las células está en micrómetros y un ADN puede llegar a medir 3 metros. Para que una estructura tan larga quepa en una célula micrométrica, es necesario un empaquetamiento apretado.

¿Qué es el nucleosoma?

Una molécula de ADN se enrolla alrededor de las proteínas histonas para crear bucles apretados conocidos como nucleosomas.

Los nucleosomas se enrollan y se agrupan para formar una especie de fibra conocida como fibra de cromatina. Estas cromatinas, a su vez, también hacen bucles y se pliegan con la ayuda de las proteínas para producir un cromosoma. Por eso se sabe que un cromosoma lleva una parte o todo el material genético de un organismo. Una vez que el ADN se condensa en un cromosoma, queda protegido gracias a su estructura fuertemente enrollada. Más detalles sobre su estructura en esta sección: Estructura de la Cromatina.

La cromatina también juega un papel vital mientras regula la transferencia de información genética. Antes de definir técnicamente la cromatina, entendamos qué es. Veamos el siguiente diagrama para entender las cromatinas:

¿Dónde se encuentra la cromatina?

¿Dónde se encuentra la cromatina? En las células eucariotas, la cromatina se encuentra dentro del núcleo. Aquí tienes una ilustración que te ayudará a entender su localización dentro del núcleo celular.

Genes en la cromatina

Los genes presentes en la cromatina pueden estar apagados o encendidos. Esto significa que en algunas células una determinada parte del gen está activa («encendida») mientras que la otra no lo está («apagada»). ¿Qué es lo que regula esta compleja información de los genes a las proteínas y al ARNm? Sí, es la cromatina.

Para validar esto, los investigadores utilizaron la mosca de la fruta como organismo modelo para estudiar el estado de activación y desactivación de los genes en la cromatina. El resultado de su estudio identificó 5 tipos distintos de cromatina descritos por la presencia única de proteínas.

Estos cinco tipos se denominaron entonces como colores: Verde, Amarillo, Negro, Azul y Rojo. El negro era totalmente inactivo, el verde y el azul eran parcialmente activos, y el amarillo y el rojo eran genes totalmente activos en la cromatina. Descubrieron que los genes de la cromatina amarilla se activaban en casi todas las células porque regulaban las funciones vitales de las mismas. Los de la cromatina roja se encendían en algunas células concretas porque gobernaban funciones más específicas (Serra et al., 2017).

Estructura de la cromatina

La proteína histona y el ADN tienen una masa igual en la cromatina eucariota (aunque también hay algunas células con proteínas no histónicas en su lugar). El nucleosoma es la unidad estructural de la cromatina, que a su vez, está formada por ADN y proteínas (histónicas o no). Esta estructura se repite en todo el material genético de un organismo. La estructura de la cromatina empaquetada en la estructura de orden superior se muestra a continuación.

¿Qué significa el modelo de «cuentas en una cuerda» de la cromatina?

El ADN y las proteínas histonas proporcionan el primer nivel de compactación del ADN dentro del núcleo. La unidad básica de estructura de la cromatina es el nucleosoma. Un nucleosoma se forma cuando el ADN se envuelve alrededor de las histonas (el núcleo proteico) para formar una estructura en forma de «cuenta». Esta estructura en forma de cuenta se conoce como nucleosoma. En la figura 3, la segunda desde arriba es la forma de cromatina «en forma de perlas». El nucleosoma es un complejo de 146 pares de bases de ADN y está enrollado por fuera de 8 proteínas, es decir, las histonas. Así, el ADN envuelto alrededor de las histonas forma un nucleosoma.

Hay cinco tipos diferentes de histonas, a saber, H1, H2A, H2B, H3 y H4. Un núcleo de histonas se produce cuando dos H2A y H2B se combinan con las proteínas H3 y H4. Aproximadamente 145 pares de bases de ADN se envuelven dos veces alrededor de esta estructura proteica para formar un nucleosoma. La longitud del ADN enlazador puede variar dependiendo de la actividad del gen de la especie y puede oscilar entre 10 y 95 pares de bases. Hay un nucleosoma después de cada 200 pares de bases y su longitud es de 10 nm.

Cuando se mira a través de un microscopio, la cromatina parece cuentas encajadas en la cuerda. Estas cuentas se conocen como nucleosomas. El nucleosoma en sí está compuesto por ocho proteínas conocidas como histonas. Los nucleosomas forman un solenoide envolviéndose en una espiral de 30 nm. En este solenoide, otras proteínas histónicas ayudan a formar la estructura de la cromatina. La cromatina se condensa en cromosomas debido al aumento de la estructura compacta (Baldi, Korber y Becker 2020).

¿Cuál es la relación entre el ADN y la cromatina?

La cromatina es el empaquetamiento del ADN. El ADN y las proteínas asociadas se empaquetan dentro de la cromatina para encajar en el interior del núcleo.

¿Cómo se ensambla el ADN en la estructura de la cromatina?

Hay varios pasos implicados en el ensamblaje del ADN en la cromatina. En el primer paso, las proteínas H3e y H4 se depositan sobre el ADN, seguidas de H2A y H2B. Se forma una partícula subnucleosomal compuesta por 146 pares de bases de ADN. El segundo paso es la maduración, en la que el ATP establece un espaciado consistente de los núcleos del nucleosoma. En el siguiente paso se inicia el plegado de las histonas enlazadoras en un nucleofilamento de 30 nm de estructura. En el último paso se produce un mayor plegamiento que conduce a un mayor nivel de empaquetamiento. La relación de empaquetamiento es de aproximadamente 7000.

Euchromatina vs. Heterocromatina

Hay dos formas de cromatina: (1) euchromatina y (2) heterocromatina. La eucromatina está menos condensada y puede transcribirse, mientras que la heterocromatina está muy condensada y normalmente no puede transcribirse. La heterocromatina se clasifica además en heterocromatina constitutiva y heterocromatina facultativa. La heterocromatina constitutiva son las secuencias de ADN que existen en todas las células de un organismo. La heterocromatina constitutiva está relacionada con el ADN altamente repetido. Del mismo modo, la heterocromatina facultativa no está presente en todas las células. Por ejemplo, el gen que codifica la beta-globina en los animales está presente en ciertas células pero no en las células sanguíneas. Como se ha explicado anteriormente, la cromatina es un complejo de proteínas y ADN en las células eucariotas. El ADN nuclear no existe como hebras lineales, sino que está fuertemente condensado y envuelto alrededor de proteínas nucleares para que pueda encajar en el núcleo.

Función de la cromatina

Inicialmente, la cromatina se consideraba como la sustancia que da color al núcleo celular. Más tarde se descubrió que no es sólo una sustancia colorante, sino que es uno de los reguladores más importantes de la expresión del ADN. La estructura de la cromatina también tiene un papel importante en la replicación del ADN. El empaquetamiento del ADN en la cromatina y el nucleosoma da lugar a una estructura fuertemente cerrada a la que no pueden acceder las enzimas responsables de la transcripción, la replicación y la reparación del ADN.

El empaquetamiento de la estructura del ADN es transcripcionalmente represivo y sólo permite un nivel basal de expresión génica. Para las estructuras del nucleosoma que están abiertas o interrumpidas, el ADN puede replicarse y transcribirse más fácilmente.

Durante el proceso de transcripción, la estructura de la cromatina es modificada por algunos represores y activadores que interactúan con el ARN para regular la actividad del gen. Los activadores cambian la estructura del nucleosoma, lo que provoca la estimulación del ensamblaje de la ARN polimerasa. Durante la replicación, se produce una regulación similar de la estructura de la cromatina que permite que el mecanismo de replicación esté en su lugar en el origen de la replicación.

Otra función de la cromatina es la regulación de la expresión génica. Mediante el proceso de variegación por efecto de posición, los genes pueden convertirse en transcripcionalmente inactivos al situarlos cerca de las cromatinas heterocromáticas silenciosas. La distancia entre las cromatinas heterocromáticas silenciosas y los genes puede ser de hasta 1000 pares de kilobases. Este fenómeno se denomina epigenético porque produce variaciones en el fenotipo.

Los científicos propusieron que la naturaleza altamente condensada de la heterocromatina impide la transcripción del ADN. Sin embargo, aún no se entiende del todo cómo se ven afectadas las regiones vecinas no heterocromáticas. Los investigadores descubrieron que las proteínas de la cromatina pueden extenderse a las regiones vecinas para producir un efecto represivo similar. Los investigadores también propusieron que puede haber algunos compartimentos en el núcleo que no son accesibles a los factores de transcripción en los que podría residir la heterocromatina. Así, la cromatina del núcleo puede no ser directamente accesible a los factores de transcripción.

La estructura de la cromatina afecta a la replicación del ADN. Por ejemplo, la eucromatina y otras zonas activas del genoma se replican antes. Del mismo modo, en la heterocromatina y la zona silenciosa que la rodea, el proceso de replicación también es lento. Otras funciones importantes de la cromatina se describen a continuación.

Empaquetamiento del ADN

La función más importante de la cromatina es el empaquetamiento de largas cadenas de ADN en un espacio mucho más pequeño. La longitud lineal del ADN es muy larga en comparación con el lugar donde reside. Para que encaje de forma segura sin enredarse o dañarse, el ADN necesita ser compactado por algún método. La compactación del ADN en el núcleo se denomina condensación. El grado de condensación del ADN dentro de un cuerpo se denomina ratio de empaquetamiento. La relación de empaquetamiento del ADN es de aproximadamente 7000. Para este alto nivel de compactación, el ADN no se empaqueta directamente en la estructura de la cromatina. Más bien, hay varias jerarquías de organización.

El empaquetamiento inicial se consigue envolviendo el ADN alrededor del nucleosoma. Esto da un ratio de empaquetamiento de 6. Este empaquetamiento es el mismo tanto para la heterocromatina como para la eucromatina. El segundo nivel de compactación se consigue envolviendo las perlas en una fibra de 30 nm que también se encuentra tanto en los cromosomas mitóticos como en la cromatina interfásica. Esta envoltura aumenta la proporción de empaquetamiento de 6 a 40. La tercera etapa de compactación se consigue enrollando la fibra en bucles, dominios y andamios. Este empaquetamiento final aumenta la relación de empaquetamiento a 10.000 en los cromosomas mitóticos y a 1000 en las cromatinas interfásicas.

Los cromosomas están más comprimidos durante la metafase. Durante la división celular de las células eucariotas, el ADN debe dividirse por igual en dos células hijas. Durante esta fase, el ADN está muy compactado y una vez que la célula completa la división, el cromosoma se desenrolla de nuevo. Si se compara la longitud de los cromosomas de la metafase con el ADN lineal, la relación de empaquetamiento puede llegar a ser de 10.000:1. Este alto nivel de compactación se consigue mediante la fosforilación de la histona H1.

Regulación de la transcripción

La transcripción es el proceso de transferencia de la información genética del ADN a las proteínas. A continuación, esta información se transcribe en ARN. El último paso es la traducción del ARN a proteínas funcionales. El proceso de transcripción está controlado por la cromatina. Si la cromatina se refuerza y restringe el acceso a la lectura de las proteínas, la transcripción se detiene. La heterocromatina es un tipo de cromatina condensada que está muy empaquetada y las proteínas no pueden leer el ADN. Mientras que la euchromatina no está tan compactada y las proteínas pueden llevar a cabo el proceso de descripción del ADN. Asimismo, existen cromatinas activas e inactivas que pueden contribuir al estallido transcripcional o a la discontinuidad de la transcripción.

Otros factores de la transcripción son la asociación y disociación del complejo de factores de transcripción presente en la cromatina. Este fenómeno se considera la razón de la gran variabilidad en la expresión génica que se produce entre las células de la población isogénica.

Cromatina y reparación del ADN

Todos los procesos basados en el ADN dependen del empaquetamiento del ADN en la cromatina. La cromatina tiene la capacidad de cambiar su forma y estructura debido a la disposición dinámica de las proteínas. Cuando el ADN se daña, se produce una relajación de la cromatina. Esta relajación permite que las proteínas se unan al ADN y lo reparen.

La cromatina en la mitosis

La mitosis es el proceso de división celular en el que las dos células resultantes (células hijas) tienen el mismo tipo y número de cromosomas que el núcleo padre. La cromatina tiene una función importante durante los cuatro pasos de la mitosis.

• Profase: Durante esta fase, las fibras de cromatina se envuelven para formar los cromosomas. El cromosoma replicado comprende dos cromátidas combinadas en el centrómero.
• Metafase: Durante esta fase, la cromatina se condensa extremadamente
• Anafase: Durante esta fase, los microtúbulos del huso tiran de los dos cromosomas idénticos hacia el extremo de las células y los separan.
• Telofase: En esta fase, los nuevos cromosomas se separan en su propio núcleo. En este momento, las fibras de cromatina se vuelven menos condensadas al desenrollarse. Se producen dos células idénticas con el mismo número de cromosomas.

Cromatina, cromosoma y cromátida

Aunque las tres estructuras, es decir cromatina, cromosomas y cromátidas están presentes en el núcleo de la célula y están compuestas de ADN, sin embargo, se identifican de forma única como se describe a continuación:

Cromatina frente a Cromosoma

La principal diferencia entre la cromatina y los cromosomas es que la cromatina se compone de ADN e histonas que se empaquetan en una fibra, mientras que un cromosoma es una forma monocatenaria de cromatina condensada. La estructura del cromosoma se basa en la fina fibra de la cromatina. Mientras que las funciones de la cromatina se describen más arriba, la función de los cromosomas es vital durante la mutación, la regeneración, la división celular, la variación y la herencia. Además, durante la división celular, la cromatina se condensa para formar un cromosoma y el cromosoma es de doble hebra con forma de X. Las dos hebras están conectadas al centro a través de una región conocida como centrómero.

¿En qué parte de la célula se encuentran los cromosomas?

Los cromosomas están presentes en el núcleo de una célula eucariota. En los procariotas, el cromosoma es típicamente un único bucle de ADN cromosómico estable en el nucleoide, por ejemplo, de una célula bacteriana. El ADN procariota está asociado a proteínas no histónicas. En los virus, tampoco hay núcleo, por lo que el cromosoma puede aparecer como una estructura lineal o circular corta de molécula de ADN o ARN que a menudo carece de proteínas estructurales y está envuelta por una envoltura o una cápside de su cabeza.

¿Cuál es la relación entre la cromatina y los cromosomas?

La relación entre la cromatina y el cromosoma es que la cromatina sufre una condensación posterior para formar un cromosoma. La relación de empaquetamiento del ADN del cromosoma es mayor que la de la cromatina.