ORGANIZAREA GENOMULUI LA PROCARIOTE

ORGANIZAREA GENOMULUI LA PROCARIOTE

Organizarea genetica de tip P_K o intalnim la bacterii, actinomicete si cianobacterii, care prezinta toate atributele organizarii celulare, inclusiv autoreproducerea si morfogeneza autonoma.

Materialul genetic bacterian nu este separat de citoplasma printr-o structura membranara, astfel ca P_K nu prezinta nucleu adevarat.

Cromozomul bacterian nu este inchis intr-un spatiu definit, iar raporturile sale cu citoplasma sunt directe. El cuprinde setul complet de gene ce determina toate activitatile celulei bacteriene precum:

Ø     metabolism;

Ø     cresterea si diviziunea celulara;

Ø     reglarea activitatilor intracelulare.

Celula bacteriana este un sinergon, deoarece toate procesele vitale se desfasoara la nivelul intregii celule, fara a se fi realizat compartimentarea acesteia in spatii si structuri care sa indeplineasca in mod specific asemenea functii.

Materialul genetic al celulei bacteriene este reprezentat de cromozomul bacterian si de elementele genetice accesorii - plasmidele.

Cromozomul celor mai multe bacterii este reprezentat de o singura molecula de ADN dublu - catenara, circulara si superspiralizata

De regula, fiecare celula bacteriana are un isngur cromozom, dar in cazurile cand replicarea cromozomului nu este urmata de diviziunea celulei, pot sa apara intre 2 - 4 cromozomi in aceeasi celula, ei neaducand informatie geneticasuplimentara, ci reprezinta copii identice ale cromozomului initial.

Molecula de ADN este agregata ca o structura distincta in interiorul celulei numita nucleoid

Nucleoidul are o structura complexa care contine:

ADN genomic;

molecule de ARN;

proteine.

Nucleoidul reprezinta 10 % din volumul celulei, desi ADN - ul reprezinta 2 - 3 % din greutatea uscata a celulei.

Nucleoidul este o structura in care ADN - ul este astfel organizat incat sa ocupe un volum foarte mic si este o structura care ofera destula plasticitate pentru: replicare, segregare, repararea genomului, transpozitie, transcrierea genelor

Dimensiunea cromozomului bacterian este variabila, avand 1000 kpb la Mycoplasma, 4700 kpb la E. Coli, 14000 kpb la Myxococcus.

Lungimea moleculei circulare de ADN este de aproximativ 1000 de ori mai mare decat diametrul celulei.

Cromozomul circular bacterian reprezinta cea mai mare molecula descrisa pana in prezent intr-un sistem biologic. Circularitatea cromozomului bacterian:

il protejeaza de actiunea depolimerizatoare a unor enzime nucleazice;

ii permite sa se replice integral fara sa necesite telomere sau capete terminale redundante

Forma circulara a cromozomului bacterian a fost dovedita indirect prin urmarirea procesului de conjugare bacteriana. Toate bacterile prezinta cromozom circular.

Fenomenul de suprarasucire la care este supusa enorma molecula de ADN pentru a fi condensata in nucleoid este de doua feluri:

suprarasucire plectonemica;

suprarasucire toroidala

Suprarasucirea plectonemica este generata ca raspuns la tensiunea structurala pe care o induc topoizomerazele in molecula circulara de ADN.

Topoizomeraza I

endonucleaza ce actioneaza intotdeauna pe una din cele doua catene de ADN;

nu necesita ATP;

determina relaxarea progresiva a moleculei suprarasucite de ADN.

Topoizomeraza II

este o giraza;

necesita ATP;

taie cele doua cate de ADN si introduce suprarasuciri in molecula relaxata de ADN.

Suprarasucirea toroidala este generata de interactiunea ADN-ului cu proteinele si de actiunea topoizomerazelor.

Nucleoidul este echivalentul cromatinei din celulele eucariote. El difera de cromatina prin doua caracteristici principale:

proteinele bazice prezente in nucleoid nu formeaza structuri regulate si compacte precum histonele din nucleosomii cromatinei, ci prezinta o organizare mai putin complexa si se disociaza mai usor;

tensiunea helicoidala care compacteaza ADN-ul in nucleoid este atat de tip plectonemic cat si de tip toroidal

ORGANIZAREA CROMOZOMULUI BACTERIAN

Cromozomul bacterian denumit si genofor sau lineom este reprezentat de o molecula de ADN care la E. coli contine 3000 - 4000 de gene din care 1500 sunt cartate. Din totalul acestor unitati genetice, 90 % sunt gene structurale - gene care codifica specific sinteza aminoacizilor din structura enzimelor.

Informatia genetica este organizata in operoni - unitati de structura si functie, in care mai multe gene structurale participa, prin produsii lor la desfasurarea unei cai metabolice, sunt puse sub controlul aceleiasi regiuni de reglare.

In cromozomul bacterian exista gene reglatoare → participa la formarea     substantelor de tipul represorilor;

→ functionarea lor determina stoparea activitatii genelor din operator

Regiunea operator:

functioneaza ca receptor de semnale;

controleaza transcrierea genelor structurale, fiind pentru acestea un fel de comutator.

Regiunea promotor:

este adiacenta regiunii operator;

corespunde locului in care are loc initierea transcrierii informatiei genetice (legatura ARN - polimeraze).

In structura cromozomului bacterian exista o regiune care leaga cromozomul de mezozom si gene care corespund originii replicarii si stoparii acesteia.

Pot exista determinanti genetici neesentiali, care reprezinta constituentii normali ai cromozomului bacterian. Ei sunt reprezentati de:

secvente de insertie - IS - care sunt secvente ale moleculei de ADN ce nu mai contine nici o gena structurala capabila sa confere celulei purtatoare un caracter fenotipic nou;

transpozoni - Tn - elemente genetice mobile capabile de transpozitie; sunt secvente specifice de ADN ce includ o serie de gene structurale, delimitate la extremitati de IS.

Functiile nucleoidului:

Cromozomul bacterian contine informatia genetica esentiala pentru:

existenta celulelor bacteriene in mediul lor de viata;

formarea structurii si arhitecturii celulare;

pentru activitatile metabolice si reglarea lor;

pentru replicare, ereditate, variabilitate si evolutie

Plasmidele:

Reprezinta o informatie genetica accesorie, extracromozomiala, ce favorizeaza existenta celulei bacteriene in medii neobisnuite.

Peste 300 din numarul totalul plasmidelor cunoscute au fost identificate la E. coli.

Din punct de vedere structural, plasmidele sunt molecule mici de ADN dsublu - catenar, circular, ciclic si minicromozomi datorita dimensiunilor - reprezinta 1 - 2 % din marimea cromozomului bacterian.

Ca si in cazul cromozomilor, circularitatea moleculei este este o necestitate pentru reglarea replicarii si supunerea unor constrangeri topologice ce determina structuri hiperrasucite.

Au fost identificate si plasmide liniare, la unele bacterii, dar majoritatea plasmidelor sunt circulare.

Structura fizica a plasmidelor corespunde unor molecule monomere sau oligomere. Plasmidele sunt entitati genetice cu caracter de replicon, dar replicarea lor este controlata de cromozom.

Clasificarea plasmidelor:

dupa capacitatea de a induce conjugarea

plasmide conjugative, transmisibile, infectioase, conjugoni;

plasmide neconjugative

dupa capacitatea unor plasmide de a se integra in cromozomii celulei gazda

plasmide integrative - exista in doua stari alternative;

plasmide neintegrative - exista in stare autonoma si nu se pot integra in cromozomi;

dupa criteriul compatibilitatii - au fost descrise 3 grupe de compatibilitate;

in functie de proprietatile majore:

plasmidele F: → contin operonul tra;

→ confera celulei bacteriene capacitati echivalente cu caracterul de mascul si sunt raspunzatoare de sinteza pilului de sex;

plasmidele R: → contin gene ce determina rezistenta celulei gazda la    antibiotice, sulfamide, substante chimioterapice;

au caracter de conjugon;

→ au capacitatea de a forma agregate plasmidiale de rezistenta multipla;

→ ridica probleme foarte serioase in tratamentul cu antibiotice al bolilor infectioase;

plasmide de virulenta;

plasmide cu gene tumorigene;

plasmide catabolice;

plasmide responsabile de sinteza unor constituienti structurali ai celulei bacteriene;

plasmide cu informatie genetica necesara sintezei unor substante antibiotice sau de tip special.

Plasmidele sunt un bun vector pentru gene in tehnicile de inginerie genetica.

O caracteristica a genomului bacterian, neintalnita la genomul eucariot, este aceea ca genele corelate functional apar grupate in genom, reflectand organizarea lor in operoni:

asocieri de gene care sunt transcrise impreuna;

genele sunt strans spatiate, cu spatii intre el de numai cateva zeci de nucleotide.