ORGANIZAREA MATERIALULUI GENETIC

nucleotidPdRA3 1 5 Fig. reprezentarea schematic a catenei duble ADNP fosfat, dR dezoxiroboz, B baz azotat (purin sau pirimidin),- - - legturi de hydrogen

Tipuri de organizareOrganizarea materialului genetic la EucarioteOrganizarea materialului genetic la ProcarioteOrganizarea materialului genetic de tip Viral

ORGANIZAREA MATERIALULUI GENETIC LA EUCARIOTE

Caracteristici eseniale la EK

nchiderea materialului ereditar ntr-un spaiu delimitat de membrana nuclear dublu membranar (organit celular numit nucleu) irepartizarea informaiei genetice n mod specific pe mai muli genofori cromozomisubstana ereditar se numete cromatin format din ADN i proteine (histone) care intr n constituia cromozomilor

Numrul de cromosomiBivaleni setul de cromosomi NHaplozi n un set de cromozomi/celulDiploizi 2n2 seturi de cromozomiTriplozi 3n 3 seturi de cromozomi (ex. celulele endospermului speciilor diploide)

Caracteristicile eseniale ale materialului ereditar la eucariotePermanenta complexare a ADN cu proteinele bazice histonice face ca la eucariote substana nucleului cromatina, s se prezinte la nivel ultrastructural cu aspect fibrilar unitatea structural a cromatinei nucleului interfazic, ca i a cromatinei cromozomilor, fiind fibra de cromatin

UltrastructuralME mrirea este de ordinul miilor de micrometriiTEMSEM

Ciclul celularCa urmare a complexrii ADN cu histonele este posibil derularea la eucariotele tipice a unui ciclu celular cu dou faze succesive distincte replicativ i distributiv. Procesele replicative au loc n interfaz cnd celula, ieit dintr-o diviziune imediat anterioar, trece printr-un stadiu G1 (eng. gap = gol sintetic), numit i stadiu presintetic. n acest stadiu, cantitatea de ADN din celul este tipic pentru specia considerat i se noteaz cu 2C atunci cnd specia este diploid (2C corespunde stadiului n care cromozomul se afl sub form unicromatidic).

Ciclul celularntr-un stadiu urmtor interfazei ncepe sinteza ADN, acest stadiu fiind simbolizat S (eng synthesis = sintez) i are loc pn n momentul n care cantitatea iniial 2C de ADN a atins nivelul 4C, deci s-a dublat urmnd ca mecanisme foarte exacte de reglare a replicrii ADN s intervin pentru a stopa desfurarea n continuare a replicrii ADN.Celula intr n ultimul stadiu al interfazei, al doilea gol sintetic al ciclului celular G2, numit i stadiul postsintetic. Stadiile S i G2 corespund trecerii cromozomului (aflat n stare despiralizat ce nu permite individualizarea i identificarea sa la microscopul fotonic) de la structura unicromatidic la structura bicromatidic.

Ciclul CelularDurata stadiilor G1, S i G2 ale interfazei este variabil fiind o caracteristic de specie. n G2, celula este pregtit de diviziune, n aceasta ciclul celular desfurndu-i compartimentul su distributiv. La debutul diviziunii, n profaz, cromozomii se condenseaz progresiv (superspiralizare), realizndu-se individualizarea lor ca numr, form i dimensiune, caracteristici ale fiecrei specii.

Ciclul CelularCromozomul bicromatidic al celulei diploide poart o cantitate 4C de ADN (nivel tetraploid) pn la sfritul metafazei nceputul anafazei, cnd, prin clivarea longitudinal a centromerului, se separ cele dou cromatide surori ale fiecrui cromozom metafazic, cromatidele-surori devenind cromozomi-fii purttori ai unei aceleiai informaii genetice n celulele-fiice ce vor rezulta din celula-mam iniial. Fiecare cromozom-fiu n anafaz este unicromatidic i poart o cantitate 2C de ADN. ncepnd cu telofaza, cromozomii fii se despiralizeaz i se decondenseaz progresiv pn atinge apogeul la trecerea n interfaz,cnd cromozomul i pierde individualitatea morfologic, nemaiputnd fi identificat microscopic.

Cromatina Molecula de acid dezoxiribonuclei (ADN) de la eucariote este complexat cu proteine bazice numite histone care au rol fundamental n organizarea i funcionarea moleculei erediatare. Complexarea ADN eucariot cu histonele condiioneaz existena cromatinei (substana de baz a cromozomilor alctuit din ADN i proteine histonice) sub dou stri interconvertibile: eucromatina i heterocromatina.Eucromatina se decondenseaz (despiralizeaz) n interfaz i se condenseaz (spiralizeaz) n cursul diviziunii, n timp ce Heterocromatina se menine n stare condensat pe parcursul ciclului celular. Heterocromatina numit i cromatina condensat apare n preparatele de laborator - mai intens colorat dect eucromatina

CromatinaSe consider c starea de eucromatin este propice derulrii unor funcii specifice ca transcriere i replicare. Regiunile eucromatice ale cromozomilor prezint replicare timpurie la nceputul fazei S pe cnd cele heterocromatice se replic, de regul, spre sfritul fazei de sintez. Diferitele tipuri de celule, la eucariotele pluricelulare, ca i nucleul organismelor unicelulare, prezint o distribuie specific a eucromatinei i heterocromatinei n funcie de starea funcional.

CromatinaCelulele specializate difereniate prezint la nivelul nucleului interfazic o distribuie specific a blocurilor de heterocromatin, asociate adesea cu membrana intern a anvelopei nucleare implicat n reglarea schimburilor materiale, energetice i informaionale nucleu-citoplasm. Heterocromatinizarea fibrei de cromatin din structura cromozomilor este unul dintre mecanismele principale de reglare a activitii genetice la eucariote. Exist trei tipuri de heterocromatin: constitutiv, facultativ i condensat.

CromatinaHeterocromatina constitutiv este reprezentat de dispunerea benzilor de heterocromatin n mod similar sau egal pentru cei doi cromozomi considerai omologi, fiind prezent tot timpul ciclului celular i n toi nucleii celulelor unui organism i avnd o distribuie pericentromeric la nivelul cromozomilor, iar n nucleul interfazic ea este dispus ntr-o mas unic numit cromocentru.

CromatinaHeterocromatina facultativ este reprezentat de dispunerea benzilor de heterocromatin n mod inegal la cei doi cromozomi omologi i reprezint rezultatul heterocromatinizrii difereniate prin care se asigur inactivarea parial sau total a unuia dintre cromozomii omologi (de ex. cromatina sexual la mamifere i la om).

Cromatina Heterocromatina condensat este reprezentat de dispunerea benzilor de heterocromatin n mod difereniat de la un esut la altul, aprnd n cursul diferenierii celulare printr-un proces complex care blocheaz exprimarea unei anumite informaii genetice n anumite celule. Este important de subliniat c heterocromatina condensat conine secvene repetate de nucleotide.

CromatinaLa nivelul eucromatinei se afl secvene unice de ADN, la nivelul ei aflndu-se i cea mai mare parte din proteinele nonhistonice care condiioneaz funcionarea materialului genetic n replicare i transcriere.

Cromatina Diferitele tipuri de heterocromatin pot fi evideniate prin metode moderne de bandare cromozomal prin care apar regiuni difereniat colorate sau cu fluorescen difereniat sub forma unor benzi transversale de-a lungul braelor cromozomale, ntr-un model de benzi caracteristic fiecrei specii i identic n condiii normale pentru cei doi cromozomi omologi ai fiecrei perechi. Modelul de benzi C se evideniaz prin colorare Giemsa i red poziia heterocromatinei constitutive situat, de regul, de o parte i de cealalt a centromerului, restul cromozomului aprnd pal colorat.

CromatinaModelul de bandare G reprezint zonele heterocromatice intercalare dispuse de-a lungul braelor cromozomale, iar modelul de benzi Q se vizualizeaz la microscopul de fluorescen cnd se folosete quinacrina-mustard. S-au mai descris benzile R (reversul benzilor G), benzile T (evideniz heterocromatina telomeric) i benzile N (evideniaz constriciile secundare cu regiunile organizatoare de nucleoli).Deocamdat nu exist o explicaie satisfctoare a naturii chimice a bandrii cromozomului eucariot.

Cromatina

Cromatina ntre eucromatin i heterocromatin apar diferenieri chiar la nivelul structurii fizice. Dac eucromatina are ca elemente ultrastructurale predominante fibrele nucleohistonice de circa 100 diametru, la nivelul heterocromatinei se afl fibre nucleohistonice de 250 diametru, care apar mai contractate (heterocromatina dnd o reacie Feulgen-pozitiv mai intens).Dac eucromatina cuprinde genele majore, heterocromatina prezint mai ales funcii reglatoare, controlnd activitatea genelor din eucromatin i rata mutaiei, modificnd n mod specific aciunea unor gene i expresivitatea lor.

Cromatina Rolul structural al heterocromatinei este legat i de stabilizarea structurii centromerice i a capetelor cromozomului (telomere), mperecherea cromozomilor n meioz, recombinarea genetic intracromozomal, iar Rolul funcional al heterocromatinei este legat decontrolul transportului prin membrana nuclear i controlul diferenierii celulareinactivarea (represia) activitii genice n mecanismul compensaiei dozei de gene X linkate.

HistoneleCantitatea mare de ADN poate fi adpostit ntr-un volum att de mic, corespunztor nucleului la eucariote:n primul rnd prin distribuirea ADN total pe mai muli genofori (structuri purttoare de gene), adic cromozomi i apoi prin complexarea ADN cu alte componente cum ar fi ARN, dar mai ales proteine bazice structurale, histone cu caracter bazic aflate ntr-un raport ADN/histon1, precum i proteine nonhistonice mult mai variabile cantitativ, realiznd raporturi ADN/proteine de 0,5-1,5, depinznd de tipul i starea fiziologic a celulei.

HistoneleLa eucariote exist o condiie strict ca ADN nou sintetizat s se asocieze cu histonele i s formeze complexe nucleohistonice. Acest fapt e dovedit de intima asociere a sintezei ADN i a histonelor n aceeai faz S a ciclului celular.Histonele nou sintetizate se concentreaz n vederea asocierii cu ADN nou format n imediata vecintate a bifurcaiei de replicare. Histonele asigur realizarea structurii teriare a ADN, a strii sale superspiralizate.

HistoneleHistonele joac un rol structural meninerea i controlul conformaiei cromozomului eucariot n ciclul celular, spiralizarea i condensarea cromatinei, i un rol funcional reglarea genic grosier care conduce la diferenierea unor modele de represie genic cu specificitate de esut n decursul dezvoltrii ontogenetice. Astfel, histonele acioneaz ca represori generalizai ai activitii genice deoarece condiionnd condensarea cromatinei i superspiralizarea ADN determin inhibiia steric a transcrierii, n aceast stare condensat ADN neputnd funciona n transcriere, numai cromatina difuz prezentnd o intens activitate de matri.

HistoneleLa eucariotele superioare au fost descrise 5 tipuri (fracii sau specii) de histone simbolizate H1, H2A, H2B, H3, H4 separate prin metode cromatografice. Cu excepia fraciei histonice H1, toate tipurile de histone se afl n raport echimolar cu ADN. Raportul ADN histon, pentru eucariotele tipice este egal cu unitatea.

HistoneleNumr de aminoacizi i greuti moleculareH1-220 aa-22000 Da; H2A-125 aa-14000 Da; H2B-129 aa-13800 Da; H3-135 aa-15300 Da; H4-102 aa-11300 Da.

Histone Histonele sunt proteine alctuite din cte o singur caten polipeptidic care conine un numr mare de aa bazici (lizin, histidin i arginin).Histona H1 se asociaz direct ca monomer cu ADN, pe cnd celelalte fracii histonice se asociaz ntre ele, cte dou molecule din fiecare formnd un octamer. n jurul octamerului, duplexul ADN se nfoar formnd 1 i tururi superhelicale orientate spre stnga.

HistoneS-a remarcat o mare conservare n cursul evoluiei histonelor H3 i H4. Astfel, secvena de aminoacizi a histonei H4 din plantulele de mazre i din timus de viel difer numai prin 2 aa, din cei 102 ci are aceast histon, dei cele 2 specii (respectiv regnul vegetal i regnul animal) s-au separat acum 600 milioane de ani.Ordinea creterii conservatorismului secvenei de aa la fraciile histonice eucariote este: H1, H2B, H2A, H3 i H4

HistoneLegarea histonelor la ADN se realizeaz prin intermediul unor legturi ionice dintre gruprile fosforice ale ADN i gruprile amino ale histonelor. Legarea histonelor de ADN nu are specificitate de secven, existnd totui o anumit preferin a legrii resturilor de lizin la perechile A-T i de arginin la perechile G-C. Legarea diferitelor tipuri de histone la ADN prezint o anumit specificitate. Astfel, H1, H2A i H2B se leag preferenial la nivelul perechilor A-T, pe cnd H3 i H4 prezint preferin pentru perechile G-C, histonele legndu-se la adncitura mare a dublului helix ADN.

HistoneDate experimentale cu folosirea inhibitorilor sintezei proteice i ai replicrii ADN converg spre concluzia c sinteza histonelor este intim asociat cu replicarea ADN, ambele procese sintetice fiind restrnse la faza S a interfazei ciclului celular.Histonele sunt supuse unor modificri posttranslaionale precum metilarea, acetilarea i fosforilarea. Prin acetilarea resturilor aminoacilice din histone este reglat interaciunea histonelor cu ARN i nonhistonele, permindu-se funcionarea materialului genetic ca matri n transcriere.De regul, modificrile chimice ale histonelor sunt reversibile cu excepia metilrii.

HistoneGenele pentru diferitele fraciuni histonice sunt prezente n mai multe copii per genom i pot fi dispuse n tandem pe acelai segment ADN.Repetitivitatea genelor pentru histone e cerut de necesitatea unei sinteze bogate de histone ntr-un interval scurt de timp din ciclul celular ce corespunde fazei S, cnd are loc i sinteza ADN. Sinteza histonelor e intim cuplat cu sinteza ADN. Sinteza histonelor are loc n citoplasm, dup care ele sunt rapid transferate n nucleu. Numai histona H5 din eritrocitele de la psri nu se sintetizeaz coordonat cu sinteza ADN, ea fiind sintetizat n timpul maturrii eritrocitelor spre a bloca genele nucleare, lsnd funcionale doar genele pentru hemoglobina aviar.

HistoneExist un linkage strns al genelor pentru histone. Clonarea genelor pentru histone de la diferite specii, prin tehnologia ADN-recombinant, a permis stabilirea exact a ordinii acestor gene, ele fiind situate n ADN n tandem H4-H3-H2A-H2B-H1, tandem care este repetat, regiunile genice fiind intercalate cu secvene interpuse, spaiatoare, necodificatoare, intergenice.Genele pentru histone nu au organizare mozaicat. La Drosophila melanogaster, genele pentru histone se carteaz n regiunea 39 S-E din braul stng al cromozomului 2, la nivelul cromozomilor uriai. La om genele pentru histone au fost cartate pe cromozomul 7, prin bandare G.Activarea genelor pentru histone se realizeaz prin interaciunea segmentelor de ADN ce cuprind aceste gene cu proteine nonhistonice fosforilate care au probabil capacitatea de a recunoate specific aceste segmente

Nivelele de organizare ale fibrei de cromatinDac cromozomul metafazic este suspendat ntr-un mediu hidrofilic cu putere ionic sczut (Miller, 1976), se desface prezentnd un aspect moniliform al fibrei de cromatin din care este constituit, aceasta avnd aspectul unui irag de mrgele prinse pe a. aa nfoar mrgelele , aa reprezentnd dublul-helix ADN din cromozom, iar mrgelele reprezentnd ceea ce a fost denumit prin termenul de corpusculi nu de ctre soii Olins (1973, 1974), pentru ca ulterior, Kornberg (1974) s foloseasc termenul de nucleosomi prin care se desemneaz aceste uniti repetitive ale fibrei de cromatin, ntlnite att la nivelul cromatinei interfazice, ct i la nivelul cromozomului metafazic .

Structura nucleosomuluiNucleosomul, unitatea repetitiv a fibrei de cromatin, corespunde unui segment de 140-220 de perechi de baze din dublul-helix ADN, segment care este asociat cu un complex de histone numit octamer histonic ce constituie miezul nucleosomic i care este format din cte 2 molecule ale fiecreia din cele patru fracii histonice: H2A, H2B, H3 i H410 nm

Structura nucleosomului

Structura nucleosomuluiSegmentul de dublu-helix ADN dintre doi nucleosomi succesivi are o lungime variabil de cteva zeci de perechi de nucleotide i este asociat cu o molecul a histonei H1. nfurarea dublului-helix ADN pe octamerii histonici confer fibrei de cromatin aspectul unui irag de mrgele. Cea mai bun definiie a nucleosomului este aceea c el reprezint un corpuscul histonic asociat cu un segment de ADN de 140-220 pb. Partea constituit din histone se mai numete miez globular histonic. Nucleosomii au o form sferic i un diametru de 100 .Localizarea i asamblarea celor opt molecule histonice n miezul nucleosomic sunt cu aproximaie cunoscute. Partea central a octamerului histonic este format dintr-o unitate tetrameric 2(H3 + H4). Octamerul histonic are form de inim datorit aranjamentului sub form de disc a tetramerului 2H3 - 2H4, care formeaz partea central i vrful inferior al inimii i asocierii sale cu cei doi dimeri (2H2A i 2H2B) spre a forma cele dou vrfuri superioare ale inimii.

Structura nucleosomuluiStudiile electronomicroscopice i de difracie n raze X i-au permis lui Finch i Klug n 1977 s interpreteze structura nucleosomului ca fiind asemntoare unui disc plat de 110 x 57 divizat n dou substructuri . Acesta este modelul platisomului . Octamerul histonic cordiform formeaz miezul nucleosomului cu simetrie diadic . n esen, s-a constatat c miezul nucleosomic are o form cilindric, de dimensiunile precizate mai sus, divizat n dou straturi - simetrie diadic .

Structura nucleosomuluiNici o combinaie de histone nu se poate realiza atunci cnd se omit histonele H3 i H4, cel mai puternic asociindu-se aceste histone bogate n arginin a cror secven de aminoacizi a fost puternic conservat n decursul evoluiei .Studiile de reconstituire de cromatin n care s-au folosit histone de la organisme eucariote i ADN provenit de la virusul SV40 au dovedit c se pot obine nucleosomi de form sferic, cu un diametru de 125 asemntori celor nativi.

Structura nucleosomului

Structura nucleosomuluiDublul helix ADN se comport ca o baghet rigid la nivelul nucleosomului fiind stabilizat de forele de repulsie electronegative exercitate de-a lungul coloanei glucido-fosforice avnd cel mult loc o pliere foarte uoar a duplexului ADN n nfurarea sa pe miezul nucleosomic i dicatat de geometria steric a moleculei n ansamblul su.

Structura nucleosomuluiInteraciunile histon - ADN implic preferenial adncitura major a dublului-helix (marea curbur). Constituenii de baz ai cromozomului eucariot sunt fibrilele de cromatin de 100 i 300 diametru. Cromatina lipsit de histona H1 nu prezint o structur regulat . Aceasta sugereaz c histona H1 are un rol structural i este esenial pentru nivele superioare de organizare a cromatinei.

Structura solenoiduluiCreterea puterii ionice a substratului hidrofilic conceput de Miller n 1976 i adugarea unor cantiti mici de ioni bivaleni (Mg2+), are drept efect spiralizarea n continuare a fibrei de cromatin de 10 nm pn la formarea unei fibre groase de 25 nm. S-au propus numeroase modele pentru arhitectura molecular a fibrei de 25 nm. Potrivit unui asemenea model, fibra de 100 se spiralizeaz ntr-o structur helical care conine 3-6 nucleosomi per pasul spirei (tur), depinznd de concentraia salin. Aceast structur spiralizat se numete super-super-helix sau solenoid, avnd un diametru de 250-300 , cu o nlime a pasului de 110 .

Structura solenoiduluiHelixul poate avea att sens dextral ct i senestral. n cadrul solenoidului, nucleosomii sunt aezai astfel c histonele H1 sunt dispuse n centrul helixului solenoidal, n strns contact unele cu altele, interaciunile H1- H1 fiind mult mai importante pentru stabilizarea solenoidului dect contactele individuale nucleosom - nucleosom. ADN ce leag nucleosomii (ADN linker) nu este un factor esenial de stabilizare pentru structura solenoidal de vreme ce i particulele nucleosomale izolate pot constitui structuri solenoidale .

Structura solenoiduluiDup un alt model, se consider c unitatea de repetiie nu este un nucleosom, ca n modelul solenoidal, ci mai curnd un dimer de dou plierin zig-zag a fibrei de 100 .Dac aceast fibr este pliat de-a lungul axei sale, se produce un aranjament cilindric helical cu diametrul de 250-300 al crui centru este ocupat de ADN spaiator condensat. O adncitur dispus de-a lungul periferiei helixului va fi potrivit spre a adposti histona H1 care are rolul de a stabiliza structura .

Structura solenoiduluiEste clar c diferena dintre cele dou modele de organizare const n faptul c n modelul solenoidului histona H1 este localizat n centrul structurii helicale, pe cnd n modelul fibrei ncolcite de 100 , la periferie. Deocamdat, nu exist date experimentale care s traneze n favoarea uneia sau celeilalte ipoteze, n ceea ce privete localizarea histonei H1.

Structura solenoiduluin cromozomi cromatina este ancorat la un schelet proteinic care formeaz partea central a ntregii structuri cromozomale.Dac din cromozomi sunt eliminate histonele i se vizualizeaz rezultatul la microscopul electronic, se constat c acest schelet proteinic mpreun cu ADN formeaz un halou de circa 4000 bucle (cca. 40000 - 90000 pb), care pornesc cu o ramur dintr-un punct al scheletului proteinic i se ntorc cu cealalt ramur ntr-un punct adiacent acestuia . Cnd se reasociaz cu histone, ADN formeaz structuri moniliforme.O condensare ulterioar produce fibre de 100 , apoi fibre de 300 (solenoizi) care la rndul lor sunt organizate, de asemenea n fibre cu configuraii helicale de ordin superior . Pornind de la ADN, condensarea general este de 5000 - 8000 de ori pn la 250000 de ori n cromozomul metafazic.

Structura suprasolenoiduluiAa se explic cum moleculele de ADN extinse de la nivelul cromozomilor complementului cromozomal uman avnd o lungime total de 164 - 170 cm (circa 2m) pot fi adpostite la nivelul celor 46 de cromozomi a cror lungime total este de pn la 220m.n cromozomii metafazici, Back (1979) a evideniat fibre de circa 400 diametru care s-ar forma prin condensarea fibrelor de 250-300 , rezultnd o structur suprasolenoidal care s-a numit fibra unitar. Prin plierea acestei fibre rezult morfologia cromozomului metafazic .

Structuri cuaternare

Ierarhia condensrii helixului fibrei de cromatin pornete dela dublul-helix ADN (a) care secondenseaz de 7 ori n nuclesom (b), fibranucleosomal se spiralizeaz la rndul ei de 5 ori n solenoid (c) i de 40 de ori n suprasolenoid (e). Aceasta se mai condenseaz nc de 5 ori (e),urmnd ca n cromozomul metafazic condensarea s ajung la un nivel mediu de 7000 ori .Structuri cuaternare

Cromozomul eucariotelorCentromerconstricie primarCromatideTelomerTelomere Bra cromozomialConstricie secundarConstricii secundareSatelit

Cromozomul eucariotelorCompoziia chimic a cromozomilor eucariotici este: ADN (13-15%), ARN (12-13%), proteine histonice i nonhistonice (68-72%), mici cantiti de lipide, ioni de Ca2+ i Mg2+, unele poliamine (spermina i spermidina). Participarea cantitativ a componentelor cromatinei la edificarea nucleului i cromozomilor la eucariote este o variabil n funcie de specie, tip morfo-funcional de celul, etap ontogenetic i treapt filogenetic.

Cromozomul eucariotelor ADN cromozomal formeaz componenta esenial a cromozomului eucariot, fiind dovedite inechivoc relaia de echivalen o molecul de ADN un cromozom eucariot, n sensul c fiecrui cromozom eucariot i corespunde un dublu helix ADN, asociat cu proteine histonice spre a forma fibra nucleo-histonic sau fibra de cromatin pliat n fel i chip, transversal i longitudinal de-a lungul braelor cromozomului, interdigitndu-se la nivelul centromerului cromozomului metafazic cu fibra de cromatin a cromatidei surori. Acesta este modelul fibrei pliate elaborat de DuPraw (1965-1970) cel mai potrivit cu datele actuale de biochimie i ultrastructur a cromozomului eucariot.

Cromozomul eucariotelorDovada direct conform creia fiecare cromozom eucariot conine un singur dublu-helix de ADN a fost adus de cercetrile efectuate la drojdia de bere i Drosophila melanogaster. S-a dovedit prin msurtori c un cromozom nereplicat adic o cromatid, conine un singur duplex ADN ce merge de la un capt la cellalt al acestuia. Lungimea enorm a moleculei de ADN e redus la dimensiunile extrem de mici ale cromozomului metafazic i chiar ale fibrei de cromatin interfazic printr-o mpachetare specific realizat n urma complexrii ADN cu alte componente moleculare ale cromatinei i n primul rnd cu proteinele bazice histonice. Astfel, dei volumul nucleului celulei eucariote de circa 5 m diametru e egal cu cel al unei celule bacteriene cantitatea de ADN la eucariote este de 1000 de ori mai mare. Dac toate moleculele de ADN uman dintr-o celul ar fi puse cap la cap s-ar obine o lungime de 2 m.

ORGANIZAREA MATERIALULUI GENETIC LA PROCARIOTE

Genomul procariot Organizarea genetic procariot este astzi ntlnit la bacterii, actinomicete i cianobacterii (alge albastre-verzi) Procariotele prezint toate atributele organizrii celulare, inclusiv autoreproducerea i morfogeneza autonom.Genomul organismelor PK este alctuit din dou categorii de determinani genetici: pe de o parte genele eseniale care sunt incluse n cromozomul bacterian sau PK i genele accesorii care sunt localizate n structura unor elemente genetice miniaturale, de tip extracromozomial, care se numesc plasmide cu roluri importante n fiziologia bacterian. Subliniem c informaia genetic de baz a unei celule PK se regsete n cromozomul acesteia.

Cromozomul bacterianMaterialul ereditar al organismelor PK este reprezentat de o molecul circular dublu-catenar de ADN care se numete cromozom bacterian i care se prezint la nivel ultrastructural ca i nucleoidul cianobacteriilor i actinomicetelor, sub forma unei reele tridimensionale de fibrile fine de ADN cu un diametru de 25 .Materialul ereditar, reprezentat de nucleoidul bacterian, nu este separat de citoplasm printr-o structur membranar, motiv pentru care PK nu prezint un nucleu adevrat iar interaciunile materialului genetic cu citoplasma sunt directe.

Cromozomul bacterianCromozomul bacterian cuprinde setul complet de gene pentru toate caracteristicile celulei bacteriene (metabolism energetic, biosinteze celulare, cretere i diviziune i reglarea activitilor intracelulare.Date recente indic prezena la bacteria E. coli precum i la cianobacteriile Anabaena i Aphanocapsa a unor proteine bazice asemntoare histonelor, dar cu o greutate molecular mai mic (10000 Da). Se presupune c aceste proteine bazice ar avea rol n stabilizarea moleculei de ADN prin neutralizarea ncrcturii negative determinat de gruprile fosforice. O astfel de protein este proteina HU izolat din bacteria E. coli i din cianobacterii, protein ce prezint o compoziie n aminoacizi similar cu fraciunea histonic H2B de la eucariotele tipice.

Cromozomul bacterianCromozomul circular bacterian reprezint suportul material al unicului grup de nlnuire al genelor, toate genele bacteriene fiind transmise n bloc de la celula mam la celulele fiice. El reprezint cea mai mare molecul descris pn n prezent ntr-un sistem biologic, avnd un perimetru de 1400 de m. Circularitatea cromozomului bacterian l protejeaz fa de aciunea depolimerizatoare a unor enzime nucleazice de tipul dezoxiribonucleazei.La Escherichia coli cromozomul respectiv are 4,1x106 perechi de nucleotide, diametrul moleculei de ADN este de 2 nm, iar lungimea de 1350 m, cu 2,5x109 Da.

Cromozomul bacterian n structura nucleoidului bacterian intr i unele substane de natur proteic ce asigur o stabilitate mai mare a acestei conformaii superncolcite. S-a demonstrat c n structura nucleoidului bacterian intr 80% ADN, 10% ARN i 10% proteine. Pn n prezent au fost identificate dou tipuri de proteine care particip la realizarea structurii suprancolcite a cromozomului bacterian.Este vorba de proteina HU i proteina 1 care interacioneaz cu ADN determinnd o acoperire complet a acestuia i asigurndu-i protecia fa de enzimele nucleazice care se gsesc n mod obinuit n citoplasma bacteriei respective.

Modelele mpachetrii cromozomului bacterian [1] macromolecula de ADN circular se aplatizeaz i se pliaz pn ce ajunge la dimensiunile celulei bacteriene. Dac mpachetarea ajunge la ordinul 2x106 corespunde dimensiunilor celulei bacteriene. Acest model de mpachetare nu explic ns i modul de funcionare al cromozomului bacterian. [2] cromozomul bacterian este mprit n domenii de buclare, fiecare fiind determinat de nite locusuri specifice (situsuri) la care se leag cte o molecul de ARN constituindu-se o bucl de ADN care la rndul ei sufer un proces de suprarsucire i se micoreaz tot mai mult macromolecula de ADN. n sprijinul acestei importeze au fost aduse dovezi experimentale, de exemplu o digestie parial cu RN-az duce la micorarea numrului de domenii de buclare (din 80, numrul real, se fac mai puine deoarece dispar moleculele de ARN care le ineau ncolcite). Dac se trateaz cu DN-az nu se observ reducerea numrului de bucle ci numai o despiralizare a ctorva bucle.

Modelele mpachetrii cromozomului bacterian[2]Domeniu tip bucl n structura cromozomului bacterianDomeniu de ancorareDublu helix de ADN

Plasmidele Dintre elementele externe cromozomului bacterian, plasmidele sunt elemente genetice accesorii care conin n structura lor gene ce determin unele funcii ale celulelor bacteriene existnd i un tip de clasificare al acestor plasmide pe baza caracterelor fenotipice pe care le confer celulei gazd. plasmidele confer codific anumite trsturisexualitate, rezistena la antibiotice, colicine, enterotoxine, rezisten la metale grele i determin formarea de tumori la plante

Plasmidele Aceste plasmide n general sunt tot molecule de ADN dublucatenar circular, avnd dimensiuni ntre 1106 Da pn la 2108 Da. Ele pot fi considerate un fel de minicromozomi deoarece reprezint 1-2% din cantitatea de ADN cromozomal, sunt elemente accesorii, iar lipsa lor nu duce la moartea celulelor care nu le mai au.

ORGANIZAREA MATERIALULUI GENETIC LA VIRUSURI

Virusurile se consider c sunt sisteme biologice la limita viului ntruct nu au capacitatea de autoreplicare i autoreproducere specifice sistemelor biologice cu organizare de tip celular (procariote sau eucariote). Pentru ndeplinirea funciilor specifice acestor sisteme biologice se utilizeaz informaia genetic i biochimic oferit de ctre sistemele biologice cu organizare celular.

Particulele virale sunt constituite n general dintr-un nveli proteic care dispus la exterior protejeaz n interior o molecul de acid nucleic (ADN sau ARN, niciodat ambele tipuri de acid nucleic) cu informaia genetic necesar replicrii i multiplicrii prin utilizarea ADN i a echipamentelor enzimatice din structura unor celule procariote sau eucariote fat de care au specificitate de recunoatere.Virusurile nu se caracterizeaz prin procesul de cretere specific celulelor, acestea odat asamblate rmn ca atare, respectiv la dimensiunea timpului zero al biosintezei lor.Se poate considera c virusurile reprezint paraziii perfeci ai sistemelor biologice celulare. Datorit acestui fapt marea majoritate a virusurilor manifest o nalt i strict specificitate de gazd: un virus ce infecteaz bacteria Escherichia coli, nu va putea infecta o alt specie de bacterii, ba mai mult, prezint preferin pentru o anumit tulpin de Escherichia coli.

Particula viral complet format se numete virion sau virus infecios matur i reprezint o unitate de structur i funcie viral alcatuit dintr-un nveli proteic denumit capsid i un miez de acid nucleic. Miezul de acid nucleic este reprezentat de ADN la dezoxiribovirusuri i de ARN la ribovirusuri, nentlnindu-se niciodat ntr-un acelai virion ambele tipuri de acizi nucleici. Acizii nucleici virali nu sunt asociai cu proteine cu excepia unor cazuri n care s-a descris existena n interiorul capsidei a unei proteine implicat n mpachetarea (supraspiralizarea) acidului nucleic viral obligat s fie cantonat ntr-un spaiu foarte restrns. Alte tipuri de proteine virale interne au rol enzimatic. n contextul realizrii unei analogii de structur cu acizii nucleici celulari miezul de acid nucleic viral se mai numete cromozom viral.

O alt form de existen a virusurilor este cea de tip vegetativ, corespunznd cromozomului (acidului nucleic) viral, aflat liber n citoplasma celulei gazd (nu mai posed capsida viral de protecie), n timpul multiplicrii sale, sau sub form de provirus, cnd este integrat n cromozomul gazd, secvena acestuia regsindu-se inegrat n secvena de ADN celular (ADN viral este integrat numai n form bicatenar).

n cazul dezoxiribovirusurilor, molecula de ADN poate fi dublu-catenar, liniar sau circular sau chiar monocatenar circular. Menionm c pentru replicare, acest segment monocatenar de ADN se dedubleaz n celula gazd pentru a deveni bicatenar, condiie absolut impus de aparatul enzimatic celular pentru realizarea funciei de replicare.La ribovirusuri (virusuri ARN), precum bacteriofagii: Q, R17, f2, VMT, unele virusuri animale (virusul gripal numit nc influenza i virusul poliomielitei), ARN este monocatenar i devine dublu-catenar n timpul replicrii. Virusurile plantelor au n general un ADN dublu-catenar.

Dimensiunea genomului viral variaz ntre 3000 i peste 10000 de pb (nucleotide), codificnd ntre 3 i 10 proteine fiecare cu o secven de circa 104-160 aminoacizi. Bacteriofagii ARN reprezint o categorie de virusuri cu cele mai mici dimensiuni, avnd circa 3300 nucleotide, secven care corespunde structurii a 3 gene principale (2 gene codific proteinele structurale ale capsidei virusului, iar a 2-a codific o ARN-sintetaz specific.

Fagul al bacteriei E. coli are o molecul de ADN lung de 16 m i prezint la capete prelungiri monocatenare ("lipicioase" sau "adezive) cu secvene complementare prin asocierea crora molecula bicatenar liniar de ADN se circularizeaz "in vitro" ca i n timpul cnd se afl n celula bacterian. Forma circular la ADN lambda este o form de adaptare, evitnd atacul exonucleazelor care acioneaz pe monocatene.Fagii T2, T3, T4 i T7 prezint n moleculele lor liniare dublu catenare de ADN secvene terminale repetate, dar ele se afl la nivelul unor regiuni dublu catenare, neputndu-se realiza circularizarea, iar exonucleazele nu au aciune eficient pe structuri dublu catenare.Cel mai bine studiai sunt fagii bacteriei E. coli.