Structuri ADN de ordin superior (ADN supercondensat)

Structuri ADN de ordin superior (ADN supercondensat)

Una dintre problemele complexe care trebuie sa fie rezolvate este modul in care ADN se condenseaza intr-un volum extrem de redus (nucleu) in cazul eucariotelor, condensari similare fiind caracteristice si sistemelor procariotelor (bacterii sau virusuri), dar general vorbind este de asteptat ca gradul de condensare la eucariote sa fie mai accentuat, tinand cont si de dimensiunea moleculelor ADN, care in general, creste pe scara evolutiva:

Organism    Nr. pb Lungime (mm) Nr. cromozomi

E.coli    ~8.10⁶ 2,8 2

S.cerevisiae    18.10⁶ 9,2 32

Drosophila     34.10⁷ ~110 8

Malanogaster   

Om 7.8.10⁹ ~2000 46

De exemplu, la om s-a calculat ca, "panglica" de aproximativ 2m, prin condensarea in 46 de cromozomi, cuasicilindrici, cu o lungime totala de 200 mm, conduce la un grad de condensare de 10⁴, procesul putand fi divizat in doua etape: formarea de nucleozomi si condensarea acestora sub forma de cromatina. Procesele de condensare sunt si o expresie a interactiunilor dintre acizii nucleici si proteine, in special cu nucleoproteinele: histonele si protaminele.

1. Interactiuni acizi nucleici - proteine nucleare

Rareori acizii nucleici sunt liberi; in mod obisnuit, ei sunt asociati cu proteine, functiile acestora fiind mai mult sau mai putin cunoscute:

realizarea unor conformatii condensate;

realizarea proceselor de sinteza a ADN, ARN, de splicing sau de degradare a acestora (polimerizare, endonucleaze, exonucleaze, ligaze, kinaze etc.);

controlul si reglarea expresiei genice (molecule de semnal);

modificarea structurala a acizilor (topoizomeraze);

formarea unor complexi proteine-ARN (ribozomi).

Spre deosebire de acizii nucleici, proteinele au structuri mai putin regulate si mai flexibile, astfel ca determinarea structurii acestora prin difractie de raze X este mai dificila; cu atat mai dificila este determinarea structurii complexilor dintre acizii nucleici si proteine. Mai studiate au fost nucleazele care sunt mai abundente si mai stabile.

1.1. Forte de interactiune proteine - acizi nucleici

Sunt mai multe forte care determina structura unica a complexului; intre acestea se pot mentiona:

forte ionice ("punti de sare") - se realizeaza intre ionii cu sarcini opuse, de exemplu anionul fosforic si grupari pozitive din proteine, gruparea aminica din lizina, gruparea guanidinica din arginina sau restul imidazolic protonat din histina. Sunt forte puternice, care actioneaza pe distante mari (scad cu l²), dar nu sunt directionate si sunt putin specifice, intrucat modificarea unei baze din structura ADN nu modifica restul fosforic, cel care realizeaza interactia.

legaturi de hidrogen - se realizeaza intre diverse grupari functionale (-NH₂, -OH, etc.) sau din heterociclii (azot) ale proteinelor si acizilor nucleici. Sunt mai putin puternice (scad cu l³), dar sunt mai specifice si mai importante in stabilizarea complexilor nucleo-proteici.

forte "entropice" - se considera ca regiunile nepolare ale proteinelor, acizilor sau complexilor se pot agrega (sub forma unor picaturi), moleculele de apa care erau asociate fiind eliberate; ca urmare, creste entropia sistemului, energia libera scade, sistemul fiind astfel mai stabil.

forte de dispersie - sunt expresia fortelor de tip van der Waals, explicate de London in 1920; sunt specifice moleculelor nepolare care, pentru o perioada extrem de scurta de timp realizeaza o stare de dipol, tranzitorie. Evident, aceste forte sunt foarte slabe (scad cu l⁶), fiind astfel foarte sensibile la agitatia termica. Cu toate acestea, ele sunt importante atat in stivuirea bazelor, cat si in interactiunile acestora cu resturile aromatice din proteine.

2. Structura nucleozomului

Nucleozomul reprezinta primul grad de condensare al complexului acid nucleic-proteina la eucariote, proteinele implicate fiind denumite histone, proteine puternic bazice: H2A, H2B, H3 si H4. Nucleosomul are o forma aproximativ sferica si, contrar a ceea ce s-a crezut multa vreme, contine un miez constituit din histone, miez care este inconjurat de 1,75 spire de ADN, care este rotit spre stanga (superelice de stanga), gradul de condensare fiind 1:7. Numarul de pb din nucleosom variaza intre 165 (drojdie) la 196 (ficat de sobolan) sau 241 in splina de arici de mare, fiind, in medie, de146 pb.

Nucleozomii sunt legati prin segmente de "ADN de legatura" a caror dimensiune variaza intre 0 pb in neuroni (absent) si 80 pb in sperma de arici de mare, dar in medie este de 30-40 pb.

Miezul proteic este format dintr-un octamer histonic; in centrul acestuia se gasesc cate 2 molecule H3 si H4, iar in exterior se gasesc, de fiecare parte, cate o molecula de H2A si H2B, in jurul intregului complex infasurandu-se ADN.

3. Structura cromatinei

Spre deosebire de nucleozomi - care pot fi obtinuti prin actiunea unor nucleaza, cristalizate si studiate prin difractie de raze X, cromatina este mult mai extinsa si diversa, astfel incat ea nu poate fi studiata decat prin microscopie electronica, care insa ofera mai putine informatii structurale, astfel ca nu se cunoaste structura precisa a cromatinei, existand mai multe variante. In general insa, se considera urmatoarele grade de condensare:

asocierea nucleozomilor sub forma de "margele pe ata", realizata la concentratii de sare intermediare (1 mM NaCl). Nucleozomii au forma sferica, cu un diametru de 7-10 nm fiind conectati prin fibre ADN de aprox.14 nm lungime.

pe masura ce concentratia de sare creste, se amplifica si gradul de condensare, distanta dintre margele se reduce, formandu-se practic filamente continue de nucleozomi, cu o lungime de 10-11 nm.

la o concentratie de sare si mai ridicata (peste 0,1 mM) si in prezenta de Mg²⁺, fibrele condenseaza sub forma unei spirale, "solenoid"; nu se cunoaste sensul de rotire; gradul de condensare este de aprox. 40.

Se presupune ca in continuare se realizeaza un proces de supraincolacire cu formarea unor cilindri de aprox. 60 nm diametru, fiecare continand aprox. 50 solenoide/spira, cilindrii fiind atasati unei proteine centrale (scaffold - esafod, schelet pentru constructie) "de schelet". ADN se organizeaza in jurul acestei proteine formand cromozomul.

In ciuda acestui grad inalt de condensare, diferitele segmente de ADN trebuie sa fie accesibile pentru desfasurarea diverselor procese (replicare, tranzitie etc.).

Exista forme si mai condensate, de ex. ADN din celulele de sperma. Acestea contin proteine bogate in arginina, denumite protamine; se presupune ca acestea se fixeaza in santul major al ADN si neutralizeaza sarcinile negative ale gruparilor fosforice, ceea ce permite cresterea gradului de impachetare.

4. Organizarea ADN in procariote

Desi ADN procariotic este mai scurt decat cel al eucariotelor, este mai putin cunoscut modul de condensare al acestuia in interiorul celulei.

Desi nu contine histona, exista alte proteine bazice, denumite "proteine de legare" care prin asociere cu ADN, determina condensarea unor segmente de aprox. 60-120 pb; nu exista insa resturi repetitive de tipul nucleosomilor sau solenoidului.

Se pare insa ca sub actiunea proteinei de lagare II (Binding Protein) este posibila formarea unor structuri supraincolacite.

5. Virusuri

Virusurile pot contine atat genom ADN, cat si ARN, ambele putand fi mono- dau dublu catenare. Se pare ca si in acest caz impachetarea acizilor nucleici este determinata de asocierea acestora cu proteine.

Au fost obtinute forme cristaline ale unor proteine de suprafata (coat), si chiar ale unor virusuri (virusul polio si cel al gripei), dar nu s-au putut obtine informatii privind interactiunile dintre acizii nucleici si proteine. Studii efectuate pe virusul mozaicul de tutun (virus ARN) au demonstrat ca gruparile fosforice sunt neutralizate de resturile de arginina din proteinele de suprafata.