Biology · Libro 3 · Bachelor Year 1

Biología universitaria — primer año

Biología universitaria — primer año · Bachelor Year 1

17Genomas de células y de virus

Dos metros de ADN están plegados en un núcleo de seis micrómetros de diámetro, y plegados de tal modo que cualquiera de veinte mil genes puede encontrarse y leerse en cuestión de minutos. Una bacteria pliega milímetro y medio en una célula mil veces más corta, y lo copia cada veinte minutos. Un virus lleva unos pocos miles de letras en una envuelta proteica y las lee con una célula que no le pertenece. Este capítulo describe el genoma — la totalidad del ADN de un organismo — como objeto físico: cómo está organizado el ADN de las bacterias, de las células eucariotas, de los orgánulos y de los virus, qué contiene además de genes, y por qué su cantidad dice tan poco del organismo que lo lleva.

17.1 El genoma bacteriano

Definición 17.1 (Genoma, cromosoma, nucleoide)

El genoma de una célula es la totalidad de su ADN: la información para todas las proteínas y todos los ARN que puede fabricar, y las secuencias que controlan cuándo se fabrican. Un cromosoma es una molécula de ADN con las proteínas que la organizan. Una bacteria suele tener uno, circular, de uno a diez millones de pares de bases (E. coli: 4.6×1064.6 \times 10^{6}, 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} de largo), plegado en una región del citoplasma, el nucleoide, sin membrana alrededor. Además del cromosoma, muchas bacterias llevan plásmidos: pequeños círculos de unos miles a unos cientos de miles de pares, en una o en centenares de copias, que se replican por su cuenta y llevan genes opcionales: resistencia a antibióticos, toxinas, la maquinaria para transferirse a otra célula.

Proposición 17.2 (Cómo pliega una bacteria su cromosoma)

Un ADN circular cuyos extremos no pueden girar puede retorcerse como una goma elástica: es el superenrollamiento. Unas enzimas llamadas topoisomerasas cortan, pasan y vuelven a sellar las hebras para añadir o quitar vueltas; la girasa usa ATP para introducir superenrollamientos negativos, que desenrollan la hélice y la hacen a la vez más compacta y más fácil de abrir. El cromosoma de E. coli está organizado en unos cincuenta bucles, cada uno superenrollado de forma independiente y anclado a un eje proteico, de modo que el 1.5 mm1.5\,\mathrm{mm} ocupa un nucleoide de aproximadamente un micrómetro — una compactación de mil veces — mientras que cualquier bucle puede desenrollarse para leerlo o copiarlo sin molestar al resto. Pequeñas proteínas básicas (semejantes a histonas, aunque no emparentadas con ellas) doblan y enlazan el ADN por todas partes.

Un cromosoma circular relajado, superenrollado y organizado en bucles. El superenrollamiento compacta la molécula y almacena la energía que ayuda a abrirla; los bucles permiten desenrollar una región cada vez.
Un cromosoma circular relajado, superenrollado y organizado en bucles. El superenrollamiento compacta la molécula y almacena la energía que ayuda a abrirla; los bucles permiten desenrollar una región cada vez.

Ejemplo 17.3 (Un genoma denso)

De los 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} del cromosoma de E. coli, el 88 %88\,\% codifica proteína: unos 43004300 genes de alrededor de 10001000 pares cada uno, dispuestos uno tras otro con un centenar de pares entre ellos, y muchos agrupados en operones que se transcriben juntos (Capítulo 20). Un plásmido de 5 kb5\,\mathrm{kb} puede llevar tres genes y existir en cincuenta copias; el gen de resistencia que lleva puede extenderse por las bacterias de una planta de hospital en unas semanas, por conjugación, más deprisa de lo que podría surgir cualquier mutación.

17.2 El genoma eucariota: la cromatina

Definición 17.4 (Nucleosoma, cromatina)

En un núcleo eucariota el ADN está enrollado sobre proteínas: 147 147\, pares de bases dan 1,7 vueltas en torno a un octámero de ocho histonas (dos de cada una de H2A, H2B, H3 y H4, proteínas pequeñas ricas en lisina y arginina que neutralizan los fosfatos) y forman un nucleosoma de 11 nm11\,\mathrm{nm} de diámetro; los nucleosomas se suceden cada 200 200\, pares aproximadamente, como cuentas de un collar, con una quinta histona, la H1, que sella cada cuenta. Esta cromatina se pliega más aún: en una fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm}, en bucles de decenas de miles de pares anclados a un armazón proteico y, en la división, en las varillas compactas del cromosoma metafásico, diez mil veces más cortas que el ADN desnudo. La eucromatina es la forma más laxa, rica en genes y transcrita, propia de la interfase; la heterocromatina, la forma condensada y pobre en genes que permanece compacta (en torno a los centrómeros, en los extremos y en un cromosoma X apagado).

Los niveles de empaquetamiento del ADN eucariota, desde la hélice hasta el cromosoma metafásico. Cada nivel multiplica la compactación; el conjunto llega a diez mil.
Los niveles de empaquetamiento del ADN eucariota, desde la hélice hasta el cromosoma metafásico. Cada nivel multiplica la compactación; el conjunto llega a diez mil.
A la izquierda: los cromosomas de una célula humana, extendidos a partir de una célula detenida en metafase. A la derecha: esos mismos cromosomas ordenados por tamaño y por bandas en un cariotipo: veintidós pares y XY, cuarenta y seis en total. Cariotipo: National Human Genome Research Institute, dominio público.
A la izquierda: los cromosomas de una célula humana, extendidos a partir de una célula detenida en metafase. A la derecha: esos mismos cromosomas ordenados por tamaño y por bandas en un cariotipo: veintidós pares y XY, cuarenta y seis en total. Cariotipo: National Human Genome Research Institute, dominio público.
A la izquierda: los cromosomas de una célula humana, extendidos a partir de una célula detenida en metafase. A la derecha: esos mismos cromosomas ordenados por tamaño y por bandas en un cariotipo: veintidós pares y XY, cuarenta y seis en total. Cariotipo: National Human Genome Research Institute, dominio público.

Definición 17.5 (Cariotipo, centrómero, telómero)

El cariotipo es el conjunto de cromosomas de una célula, ordenados por tamaño y por su patrón de bandas: el ser humano tiene 23 pares (22 autosomas y XY o XX), 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases en total, 2.2 m2.2\,\mathrm{m}; el cromosoma mayor contiene 250 Mb250\,\mathrm{Mb} y el menor 50 50\,. Cada cromosoma lineal lleva un centrómero, la región estrangulada donde las dos copias siguen unidas tras la replicación y donde se ancla el huso (Capítulo 18), y dos telómeros, secuencias repetidas de los extremos que los protegen de ser tomados por ADN roto y de acortarse en cada replicación.

Proposición 17.6 (El tamaño del genoma no mide la complejidad)

organismogenoma (Mb)genes codificantes
E. coli4,643004300
levadura1260006000
mosca de la fruta14014 00014\,000
ser humano320020 00020\,000
maíz230040 00040\,000
pez pulmonado130 000130\,000≈20 000\approx20\,000
Paris japonica (una liliácea)150 000150\,000≈30 000\approx30\,000

El tamaño del genoma varía mil veces entre los eucariotas sin relación alguna con el número de genes ni con la complejidad del organismo (la paradoja del valor C): un pez pulmonado lleva cuarenta veces el ADN de un ser humano y no más genes. La diferencia no está en los genes, sino en el ADN que hay entre ellos.

17.3 Qué contiene un genoma

Definición 17.7 (Anatomía de un gen)

Un gen es un tramo de ADN que se transcribe a un ARN funcional, por lo general un mensajero para una proteína. Un gen eucariota codificante de proteína comprende un promotor, la secuencia situada aguas arriba donde empieza y se controla la transcripción; los exones, las partes que se conservan en el mensaje maduro; los intrones, las partes que se transcriben y luego se recortan (Capítulo 19); las regiones no traducidas de cada extremo del mensaje; y un terminador. Un gen humano mide de media 27 kb27\,\mathrm{kb}, con ocho exones que suman 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}: diecinueve veinteavos de un gen típico son intrón. Los genes bacterianos no tienen intrones.

Un gen eucariota: un promotor y exones (que se conservan) alternando con intrones (que se retiran tras la transcripción). Dibujado a escala comprimida: en un gen real los intrones serían veinte veces más largos que los exones.
Un gen eucariota: un promotor y exones (que se conservan) alternando con intrones (que se retiran tras la transcripción). Dibujado a escala comprimida: en un gen real los intrones serían veinte veces más largos que los exones.

Proposición 17.8 (El censo del genoma humano)

De los 3.2 Gb3.2\,\mathrm{Gb}: alrededor del 1.5 %1.5\,\% codifica proteína; el 25 %25\,\% es intrón; el 45 %45\,\% son los restos de elementos transponibles — secuencias que se copian a sí mismas en lugares nuevos, en su mayoría muertas hace tiempo (solo el elemento Alu, de 300 pb300\,\mathrm{pb}, está presente en un millón de copias, la décima parte del genoma) —; el 8 %8\,\% son repeticiones cortas en tándem (ADN satélite, en centrómeros y telómeros); y el resto es secuencia no codificante única que incluye los promotores, los potenciadores y los genes de ARN que controlan la expresión. Muchos genes pertenecen a familias surgidas por duplicación (las globinas, los receptores olfativos, un millar de ellos), y el genoma contiene miles de seudogenes, copias muertas que ya no funcionan. Un genoma no es un diseño, sino un registro.

De qué está hecho el genoma humano. Los exones que codifican proteína son una astilla; la mitad del genoma son los restos de elementos que en su día se copiaban a sí mismos.
De qué está hecho el genoma humano. Los exones que codifican proteína son una astilla; la mitad del genoma son los restos de elementos que en su día se copiaban a sí mismos.

Ejemplo 17.9 (Leer el tamaño de un genoma)

Un genoma de 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} sin intrones y con pocas repeticiones contiene 43004300 genes; uno de 3200 Mb3200\,\mathrm{Mb} con intrones largos y la mitad de su longitud en repeticiones contiene 20 00020\,000; y uno de 130 000 Mb130\,000\,\mathrm{Mb} contiene esos mismos veinte mil. El tamaño mide cuánto se ha acumulado en el ADN no codificante de un linaje, y con qué eficacia se ha eliminado, no cuánto hace el organismo.

17.4 Genomas de orgánulos y virus

Definición 17.10 (Genomas de los orgánulos)

Las mitocondrias y los cloroplastos conservan un resto del cromosoma de sus antepasados bacterianos (Capítulo 6): un pequeño círculo — 16.6 kb16.6\,\mathrm{kb} y 37 genes en las mitocondrias humanas, 120 to 160 kb120\text{ to }160\,\mathrm{kb} y alrededor de 100 genes en los cloroplastos —, en muchas copias por orgánulo, que codifica algunas de sus propias proteínas y los ARN de sus ribosomas. El resto de sus proteínas procede de genes nucleares. En casi todos los animales el genoma mitocondrial se hereda solo de la madre, con el citoplasma del óvulo.

Definición 17.11 (Virus)

Un virus es un genoma dentro de una envuelta proteica, la cápside — a veces envuelta a su vez en una membrana, la envoltura, tomada de una célula hospedadora —, que se reproduce solo dentro de una célula, usando los ribosomas, la energía y los precursores de esa célula. Su genoma puede ser ADN o ARN, bicatenario o monocatenario, lineal o circular, de una molécula o de varias: de 5 kb5\,\mathrm{kb} (unos pocos genes) a 1.2 Mb1.2\,\mathrm{Mb} (un millar, en los virus gigantes). Fuera de una célula un virus no hace nada: no es una célula, no metaboliza y está vivo solo en el sentido de que lleva información y evoluciona. Los bacteriófagos son los virus de las bacterias.

Bacteriófagos adheridos a una bacteria: cabezas poliédricas que contienen el ADN y colas por las que se inyectará. Una sola célula liberará un centenar de fagos nuevos en media hora.
Bacteriófagos adheridos a una bacteria: cabezas poliédricas que contienen el ADN y colas por las que se inyectará. Una sola célula liberará un centenar de fagos nuevos en media hora.

Proposición 17.12 (Los dos ciclos del fago λ\lambda)

El fago λ\lambda inyecta sus 48.5 kb48.5\,\mathrm{kb} de ADN (Capítulo 11) en E. coli, donde se circulariza. Después caben dos destinos. En el ciclo lítico, la polimerasa del hospedador transcribe los genes del fago, su ADN se replica cien veces, se fabrican y se ensamblan las proteínas de la cápside, el ADN se empaqueta en ellas y una enzima disuelve la pared: la célula revienta y libera un centenar de fagos cuarenta minutos después de la infección. En el ciclo lisogénico, el ADN del fago se inserta en el cromosoma del hospedador y lo silencia un represor de su propia fabricación: el profago se copia con el cromosoma durante generaciones, invisible, hasta que un daño en el ADN del hospedador levanta la represión y se reanuda el ciclo lítico. La elección es un interruptor molecular, uno de los primeros que se comprendieron (Capítulo 20).

El fago : ciclo lítico (rojo) o lisogénico (verde), y la inducción que convierte el segundo en el primero.
El fago λ\lambda: ciclo lítico (rojo) o lisogénico (verde), y la inducción que convierte el segundo en el primero.

Ejemplo 17.13 (Virus con genoma de ARN)

La gripe lleva ocho segmentos de ARN monocatenario y su propia polimerasa para copiarlos, ya que las células no tienen ninguna enzima que copie ARN; esa polimerasa comete un error cada 10 00010\,000 bases y el virus cambia cada temporada. Un retrovirus (el VIH) lleva ARN y una transcriptasa inversa que lo copia a ADN, que se inserta en el cromosoma del hospedador como un profago: una infección permanente. Los mecanismos, y la respuesta inmunitaria a ellos, corresponden al volumen del tercer año; aquí marcan el abanico de lo que puede ser un genoma.

17.5 Ejercicios

Ejercicio 17.1 ★

Compárense el genoma bacteriano y el eucariota: número y forma de los cromosomas, localización, proteínas que los organizan y densidad de genes.

Solución

Solución de Ejercicio 17.1.

Bacteria: un cromosoma circular (más plásmidos) en un nucleoide sin membrana, compactado por superenrollamiento y por pequeñas proteínas básicas, codificante en torno al 90 %90\,\%. Eucariota: varios cromosomas lineales en un núcleo, enrollados sobre histonas formando cromatina, con solo un pequeño porcentaje codificante.

Ejercicio 17.2 ★

Descríbase un nucleosoma y dese el factor de compactación de cada nivel de plegamiento de la cromatina.

Solución

Solución de Ejercicio 17.2.

147 pares de bases enrollados 1,7 veces en torno a un octámero de histonas (dos de cada una de H2A, H2B, H3 y H4), sellado por la H1, uno cada 200 pares. Cuentas de un collar, ×6\times 6; fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm}, ×40\times 40; bucles, ×1000\times 1000; cromosoma metafásico, ×10 000\times 10\,000.

Ejercicio 17.3 ★

A partir de la figura del censo, ¿qué fracción del genoma humano codifica proteína, y cuál es la categoría mayor?

Solución

Solución de Ejercicio 17.3.

El 1.5 %1.5\,\%; los elementos transponibles y sus restos, el 45 %45\,\%.

Ejercicio 17.4 ★

¿Qué es un virus, y en qué sentido no está vivo?

Solución

Solución de Ejercicio 17.4.

Un genoma (de ADN o de ARN) en una cápside proteica, a veces envuelta, que se reproduce solo dentro de una célula con la maquinaria de esa célula. Fuera de una célula no tiene metabolismo, ni crecimiento, ni respuesta: es una partícula inerte; está “vivo” solo por llevar información hereditaria que evoluciona.

Ejercicio 17.5 ★★

Calcúlense la longitud del cromosoma de E. coli y el número de vueltas del tamaño de un nucleosoma que necesitaría si fuera eucariota; explíquese cómo lo compacta la bacteria en su lugar.

Solución

Solución de Ejercicio 17.5.

4.6×106×0.34=1.56 mm4.6 \times 10^{6}\times 0.34 = 1.56\,\mathrm{mm}; 4.6×106/200=23 0004.6 \times 10^{6}/200 = 23\,000 nucleosomas. En su lugar: superenrollamiento negativo por la girasa y plegamiento en unos cincuenta bucles sobre un eje proteico, con pequeñas proteínas básicas que doblan el ADN; mil veces, hasta un nucleoide de un micrómetro.

Ejercicio 17.6 ★★

Un gen humano de 27 kb27\,\mathrm{kb} tiene 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} de exones en ocho trozos. Calcúlense las longitudes medias del exón y del intrón y la fracción del transcrito primario que se descarta.

Solución

Solución de Ejercicio 17.6.

Exones, 1500/8=190 bp1500/8 = 190\,\mathrm{bp}; intrones, 25 500/7=3640 bp25\,500/7 = 3640\,\mathrm{bp}; se descarta el 25.5/27=94 %25.5/27 = 94\,\% del transcrito.

Ejercicio 17.7 ★★

Con la tabla, calcúlense los genes por megabase de E. coli, la levadura, la mosca de la fruta, el ser humano y el pez pulmonado. Coméntese la tendencia.

Solución

Solución de Ejercicio 17.7.

E. coli, 930 genes por Mb; levadura, 500; mosca, 100; ser humano, 6; pez pulmonado, 0,15. La densidad de genes cae cuatro órdenes de magnitud mientras el número de genes se multiplica por cinco: el ADN adicional no es génico.

Ejercicio 17.8 ★★

El elemento Alu mide 300 pb300\,\mathrm{pb} y está presente en un millón de copias. ¿Qué fracción del genoma es Alu? Si cada copia surgió por retrotransposición (un ARN copiado de vuelta a ADN e insertado), ¿cuántas inserciones por generación producirían un millón de copias en 6060 millones de años, a 2020 años por generación?

Solución

Solución de Ejercicio 17.8.

106×300=3×108 bp10^6\times 300 = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{bp}: el 9 %9\,\% del genoma. 60×106/20=3×10660\times 10^6/20 = 3 \times 10^{6} generaciones: una inserción nueva cada tres generaciones, de media, en algún punto del linaje.

Ejercicio 17.9 ★★

Explíquese por qué el genoma mitocondrial se hereda por vía materna y qué implica eso para rastrear la ascendencia.

Solución

Solución de Ejercicio 17.9.

El óvulo aporta el citoplasma y sus mitocondrias; las pocas mitocondrias del espermatozoide quedan excluidas o se destruyen tras la fecundación. El ADN mitocondrial pasa por tanto sin mezclarse de madre a hijo, y las mutaciones que acumula rastrean los linajes maternos hacia atrás en el tiempo.

Ejercicio 17.10 ★★★

El fago λ\lambda en estado lisogénico se copia una vez por generación del hospedador; en estado lítico produce cien copias en 40 min40\,\mathrm{min}. En un cultivo bien alimentado que se duplica cada 20 min20\,\mathrm{min}, compárense las dos estrategias a lo largo de dos horas; en un cultivo hambriento que no se divide, compárense de nuevo. ¿Por qué responde el interruptor al estado del hospedador?

Solución

Solución de Ejercicio 17.10.

Cultivo alimentado, dos horas: la lisogenia da 26=642^6 = 64 copias (una por división del hospedador); la lisis da 100 fagos en 40 min40\,\mathrm{min}, y su descendencia 1003=106100^3 = 10^6 en dos horas si abundan los hospedadores: la lisis gana con mucho. Cultivo hambriento: la lisogenia da una copia, a salvo dentro de una célula viva; la lisis da 100 fagos sin ninguna célula a la que infectar, que se degradan. El interruptor lee el estado del hospedador porque la mejor estrategia depende de si habrá hospedadores nuevos.

Ejercicio 17.11 ★★★

Una célula de pez pulmonado lleva 130 Gb130\,\mathrm{Gb}: calcúlense la longitud del ADN, el número de nucleosomas y la masa de histonas por célula, y el tiempo de replicarlo a la velocidad humana de horquilla (50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s} por horquilla) con un origen cada 100 kb100\,\mathrm{kb}. ¿Qué le cuesta a una célula un genoma grande?

Solución

Solución de Ejercicio 17.11.

1.3×1011×0.34 nm=44 m1.3 \times 10^{11}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 44\,\mathrm{m} (haploide); 6.5×1086.5 \times 10^{8} nucleosomas; histonas, 6.5×108×108 000×1.66×10−24=117 pg6.5 \times 10^{8}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 117\,\mathrm{pg}. Orígenes: 1.3×1061.3 \times 10^{6}, cada uno replicando 50 kb50\,\mathrm{kb} a cada lado a 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: 1000 s1000\,\mathrm{s}; con suficientes orígenes el tiempo no es el problema, y el coste son los nucleótidos (130 pg130\,\mathrm{pg} de ADN por división), las histonas, el tiempo de fabricarlas y un núcleo y una célula mucho mayores, que es por lo que esas células se dividen despacio.

Ejercicio 17.12 ★★★

“El genoma es un registro, no un diseño.” Discútase en un párrafo con los seudogenes, los elementos transponibles, las familias de genes y la paradoja del valor C.

Solución

Solución de Ejercicio 17.12.

Un diseño contendría lo necesario y nada más; un registro contiene lo que ocurrió. Los seudogenes son los cadáveres de genes duplicados que murieron por mutación; los elementos transponibles son parásitos que se copiaron durante decenas de millones de años y nunca se eliminaron; las familias de genes muestran duplicación seguida de divergencia; y la paradoja del valor C muestra que la cantidad de ADN refleja la historia de acumulación y de pérdida de un linaje, y no sus necesidades. La selección mantiene los genes en funcionamiento y deja que el resto derive: lo que leemos en un genoma es sobre todo historia.

17.6 Problema: dos metros en seis micrómetros

Problema 17.1

Problema de fin de semana — un núcleo humano medido desde la hélice hasta el cromosoma: longitudes, volúmenes, nucleosomas, histonas y la razón de empaquetamiento de cada nivel, hasta llegar a la compactación total de la metafase

Un núcleo humano diploide es una esfera de 6 µm6\,\text{µ}\mathrm{m} de diámetro que contiene 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares de bases en 46 cromosomas; el cromosoma mayor lleva 250 Mb250\,\mathrm{Mb} y el menor 50 50\,. Tómense 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} por par, 2 nm2\,\mathrm{nm} de diámetro de hélice, 650 Da650\,\mathrm{Da} por par, 200200 pares por nucleosoma, un octámero de histonas de 108 kDa108\,\mathrm{kDa} y 1.66×10−24 g1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g} por dalton.

Parte I — Longitudes y volúmenes.

  1. Calcúlese la longitud total del ADN del núcleo.
  2. Calcúlese el número de vueltas de doble hélice que contiene.
  3. Calcúlense las longitudes del ADN del cromosoma mayor y del menor.
  4. Calcúlese el volumen del núcleo.
  5. Calcúlense el volumen del ADN como cilindro y la fracción del núcleo que ocupa.
  6. Calcúlese la masa de ADN del núcleo en picogramos.
  7. El núcleo contiene unos 25 pg25\,\mathrm{pg} de proteína. ¿Qué fracción de la masa nuclear es ADN, si el agua es el 80 %80\,\% del núcleo (densidad 1.1 g/mL1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mL})?

Parte II — Nucleosomas.

  1. Calcúlese el número de nucleosomas del núcleo.
  2. Calcúlese la masa de histonas y compárese con la masa de ADN.
  3. Los 200 200\, pares de un nucleosoma abarcan 68 nm68\,\mathrm{nm} de hélice pero ocupan una cuenta de 11 nm11\,\mathrm{nm} de largo. Calcúlese el factor de compactación de las “cuentas de un collar”.
  4. La fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm} contiene seis nucleosomas por cada 11 nm11\,\mathrm{nm} de su longitud. Calcúlese su factor de compactación respecto del ADN desnudo.
  5. Calcúlese la longitud de la fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm} para todo el genoma, y compárese con el diámetro del núcleo.
  6. Cada nucleosoma debe desmontarse y volver a montarse cuando el ADN se replica o se transcribe. ¿Cuántos nucleosomas se vuelven a montar en la fase S (8 h8\,\mathrm{h})? ¿Y por segundo?

Parte III — Bucles y cromosomas.

  1. Del armazón cuelgan bucles de 75 kb75\,\mathrm{kb} de la fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm}. Calcúlense la longitud de fibra de un bucle y el número de bucles del genoma.
  2. Una cromátida metafásica del cromosoma mayor mide 10 µm10\,\text{µ}\mathrm{m} de largo. Calcúlese el factor de compactación desde el ADN desnudo hasta el cromosoma metafásico.
  3. Calcúlense el volumen de esa cromátida como cilindro de 0.7 µm0.7\,\text{µ}\mathrm{m} de diámetro y la fracción de él que es ADN.
  4. Los 46 cromosomas en metafase, cada uno una varilla de la misma densidad: calcúlese su volumen total y compárese con el núcleo en interfase.
  5. Explíquese por qué la cromatina de la interfase no puede empaquetarse tan apretada como la de la metafase.

Parte IV — Encontrar un gen.

  1. Una proteína debe encontrar un sitio de 20 pb20\,\mathrm{pb} en el genoma. Si probara un sitio al azar por milisegundo, ¿cuánto duraría la búsqueda? ¿Qué dice esto sobre cómo se encuentran los sitios?
  2. Los 20 000 20\,000\, genes del genoma miden de media 27 kb27\,\mathrm{kb}. ¿Qué fracción del genoma queda dentro de genes? ¿Y qué fracción es codificante, con 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb} de exones por gen?
  3. Cada cromosoma ocupa su propio territorio del núcleo. Calcúlense el volumen del territorio del cromosoma mayor si los territorios son proporcionales al contenido de ADN, y la concentración de ADN dentro de él en pares de bases por micrómetro cúbico.
  4. Un núcleo de pez pulmonado con la misma densidad de ADN, ¿qué volumen tendría para 260 Gb260\,\mathrm{Gb} (diploide)? ¿Y qué diámetro?
  5. Calcúlense el número de octámeros de histonas que una célula debe fabricar en la fase S y los aminoácidos que contienen (1000 1000\, residuos por octámero). Compárese con los 3×109 3 \times 10^{9}\, residuos de proteína que una célula fabrica en un día.
  6. Explíquese en dos frases por qué las bacterias pueden prescindir de nucleosomas y los eucariotas no.
  7. Enúnciese el resultado: el factor de compactación total desde la hélice hasta el cromosoma metafásico, y los factores de cada nivel.
Solución

Solución de Problema 17.1.

1. 6.4×109×0.34 nm=2.18 m6.4 \times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.18\,\mathrm{m}. 2. 6.4×109/10=6.4×1086.4 \times 10^{9}/10 = 6.4 \times 10^{8} vueltas. 3. 2.5×108×0.34=8.5 cm2.5 \times 10^{8}\times 0.34 = 8.5\,\mathrm{cm}; 1.7 cm1.7\,\mathrm{cm}. 4. 43π×33=113 µm3\frac{4}{3}\pi\times 3^3 = 113\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}. 5. π×(1 nm)2×2.18 m=6.8×10−18 m3=6.8 µm3\pi\times(1\,\mathrm{nm})^2\times 2.18\,\mathrm{m} = 6.8 \times 10^{-18}\,\mathrm{m}^{3} = 6.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: el 6 %6\,\% del núcleo. 6. 6.4×109×650×1.66×10−24=6.9×10−12 g=6.9 pg6.4 \times 10^{9}\times 650\times 1.66\times 10^{-24} = 6.9 \times 10^{-12}\,\mathrm{g} = 6.9\,\mathrm{pg}. 7. Masa nuclear, 113×10−12 mL×1.1=124 pg113\times 10^{-12}\,\mathrm{mL}\times 1.1 = 124\,\mathrm{pg}; el ADN es el 5.6 %5.6\,\% de ella y la proteína el 20 %20\,\%. 8. 6.4×109/200=3.2×1076.4 \times 10^{9}/200 = 3.2 \times 10^{7}. 9. 3.2×107×108 000×1.66×10−24=5.7 pg3.2 \times 10^{7}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 5.7\,\mathrm{pg}: aproximadamente igual que el ADN. 10. 68/11=6.268/11 = 6.2. 11. Seis nucleosomas, 1200 bp1200\,\mathrm{bp} =408 nm= 408\,\mathrm{nm} de hélice, en 11 nm11\,\mathrm{nm}: factor 3737. 12. 2.18/37=5.9 cm2.18/37 = 5.9\,\mathrm{cm} de fibra: diez mil veces el diámetro nuclear, plegados dentro de él. 13. Todos los 3.2×1073.2 \times 10^{7}, más otros tantos nuevos en la segunda copia: 6.4×1076.4 \times 10^{7} en 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}, unos 22002200 por segundo. 14. 75 000×0.34/37=690 nm75\,000\times 0.34/37 = 690\,\mathrm{nm} de fibra por bucle; 6.4×109/75 000=85 0006.4 \times 10^{9}/75\,000 = 85\,000 bucles. 15. 8.5 cm/10 µm=85008.5\,\mathrm{cm}/10\,\text{µ}\mathrm{m} = 8500. 16. π×0.352×10=3.85 µm3\pi\times 0.35^2\times 10 = 3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}; el ADN, π×10−6×0.085 m=0.27 µm3\pi\times 10^{-6}\times 0.085\,\mathrm{m} = 0.27\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: el 7 %7\,\%; el resto es proteína (histonas y armazón) y agua. 17. ADN total, 6.4×1096.4 \times 10^{9} pares a la misma densidad (2.5×1082.5 \times 10^{8} pares en 3.85 µm33.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} por cromátida, y dos cromátidas por cromosoma): 2×6.4×109/2.5×108×3.85=197 µm32\times 6.4\times 10^9/2.5\times 10^8\times 3.85 = 197\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}, mayor que el núcleo en interfase porque ahora los cromosomas son varillas con espacio entre ellas. 18. La cromatina de la interfase debe leerse y copiarse: las polimerasas y sus factores necesitan acceder al ADN, así que casi toda ella permanece como fibra abierta de 30 nm30\,\mathrm{nm} y como bucles; la cromatina metafásica es inerte y puede empaquetarse para el transporte. 19. 6.4×1096.4 \times 10^{9} sitios a 10310^3 por segundo: 6.4×1066.4 \times 10^{6} segundos, 74 días. Las proteínas no buscan al azar: se unen al ADN de forma inespecífica y se deslizan por él, y muchas copias buscan en paralelo, de modo que un sitio se encuentra en segundos. 20. 20 000×27 kb=540 Mb20\,000\times 27\,\mathrm{kb} = 540\,\mathrm{Mb}, el 17 %17\,\% de los 3.2 Gb3.2\,\mathrm{Gb}; codificante, 20 000×1.5=30 Mb20\,000\times 1.5 = 30\,\mathrm{Mb}, el 0.9 %0.9\,\% (alrededor del 1,5% si se cuentan con más cuidado los genes cortos). 21. 113×2×250/6400=8.8 µm3113\times 2\times 250/6400 = 8.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} (dos copias); 5×108/8.8=5.7×107 bp/µm35 \times 10^{8}/8.8 = 5.7 \times 10^{7}\,\mathrm{bp}/\text{µ}\mathrm{m}^{3}, igual que en todo el núcleo. 22. 2.6×1011/5.7×107=4600 µm32.6 \times 10^{11}/5.7 \times 10^{7} = 4600\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}: un diámetro de 21 µm21\,\text{µ}\mathrm{m}, cuarenta veces el volumen del núcleo humano. 23. 3.2×1073.2 \times 10^{7} octámeros, 3.2×10103.2 \times 10^{10} residuos: la décima parte de la síntesis diaria de proteína de la célula, gastada en empaquetar. 24. El cromosoma de una bacteria es mil veces más corto y basta el superenrollamiento en bucles para meterlo en un micrómetro; un eucariota debe plegar una longitud diez mil veces su núcleo y necesita una jerarquía de empaquetamiento, de la que el nucleosoma es el primer nivel. 25. Unas 85008500 veces (8.5 cm8.5\,\mathrm{cm} en 10 µm10\,\text{µ}\mathrm{m}), construidas como ×6\times 6 (nucleosomas), ×6\times 6 más (fibra de 30 nm30\,\mathrm{nm}, ×37\times 37 en total), ×27\times 27 más (bucles, ×1000\times 1000 en total) y ×8\times 8 más (condensación metafásica).

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