Structura genomului la procariote

STRUCTURA GENOMULUI LA PROCARIOTE

Genomul bacterian

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

Materialul genetic bacterian nu este separat de citoplasma printr-o structura membranara, deoarece procariotele  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 care determina toate activitatile celulei bacteriene, respectiv:

metabolism;

cresterea si diviziunea celulara;

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 singur cromozom, dar in cazurile cand replicarea acestuia nu este urmata de diviziunea celulei, pot sa apara intre 2 - 4 cromozomi in aceeasi celula, neaducand insa informatie genetica suplimentara, ci reprezinta doar copii identice ale cromozomului initial.

Molecula de ADN este agregata ca o structura distincta in interiorul celulei numita nucleoid, care prezinta o structura complexa, cu urmatoarele elemente constitutive:

ADN genomic;

molecule de ARN;

proteine.

Nucleoidul reprezinta 10 % din volumul celulei, in care ADN - ul este astfel organizat incat sa ocupe un volum foarte mic si care ofera destula plasticitate pentru: replicare, segregare, repararea genomului, transpozitie, transcrierea genelor.

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

Toate bacterile prezinta cromozom circular (forma circulara a cromozomului bacterian a fost dovedita indirect prin urmarirea procesului de conjugare bacteriana). Cromozomul circular bacterian reprezinta cea mai mare molecula descrisa pana in prezent intr-un sistem biologic (Fig. 43). Circularitatea cromozomului bacterian confera protectie impotriva actiunii depolimerizatoare a unor enzime nucleazice si permite replicarea integrala fara a fi nevoie de telomere sau capete terminale redundante.

Perete celular

Membrana celulara

Cromozom bacterian

Citoplasma Proiect: Dezvoltarea prenatala si nasterea - factorii ce influenteaza dezvoltarea Eseu: Bazele moleculare ale apoptozei

Ribozomi

Flageli

Fig. 43. Genomul bacterian

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 este o endonucleaza care actioneaza intotdeauna pe una din cele doua catene de ADN, nu necesita prezenta moleculelor macroergice (ATP) si determina relaxarea progresiva a moleculei suprarasucite de ADN.

Topoizomeraza II este o giraza, care necesita prezenta ATP-ului, taie cele doua catene 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 si difera de aceasta 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, spre exemplu, la bacteria Escherichia 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.

Regiunea operator functioneaza ca receptor de semnale si controleaza transcrierea genelor structurale, fiind pentru acestea un fel de comutator.

Regiunea promotor este adiacenta regiunii operator si corespunde locului in care are loc initierea transcrierii informatiei genetice.

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

- secvente de insertie - IS - care sunt secvente ale moleculei de ADN care 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 care 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, care favorizeaza existenta celulei bacteriene in medii neobisnuite. Peste 300 din numarul totalul plasmidelor cunoscute au fost identificate la bacteria Escherichia coli.

Din punct de vedere structural, plasmidele sunt molecule mici de ADN dublu catenar, circular, ciclic si minicromozomi, datorita dimensiunilor foarte mici, reprezentand 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 care determina structuri hiperrasucite.

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

Plasmidele sunt entitati genetice cu caracter de replicon, dar replicarea lor este controlata de cromozom.

Clasificarea plasmidelor se poate realiza dupa mai multe criterii, respectiv:

- 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 trei grupe de compatibilitate;

- in functie de proprietatile majore:

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

- plasmidele R - contin gene care determina rezistenta celulei gazda la antibiotice, sulfamide, substante chimioterapice, au caracter de conjugon, au capacitatea de a forma agregate plasmidiale de rezistenta multipla si 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.

Genomul viral

Prezinta o singura macromolecula de ADN sau ARN, structura fiind foarte variata, ceea ce determina existenta mai multor categorii de virusuri:

- virusuri cu ADN dublu catenar care cuprind majoritatea bacteriofagilor, papovavirusurile, virusul herpesului etc.

- virusuri cu ADN monocatenar din care fac parte unii bacteriofagi cum, este virusul phi xl74, parvovirusurile etc.

- virusuri cu ARN monocatenar de tip +, capabil sa functioneze ca ARNm si sa-si transcrie informatia genetica in ADN dublu catenar care este integrat in cromozomul celulei gazda. In acest caz replicar-ea genomului viral se face prin transcriptia ADN-ului integrat. De aici fac parte virusurile oncogene.

- virusuri cu ARN monocatenar de tip -, care nu poate functiona ca ARNm dar cu ajutorul unei polimeraze virale (o transcriptaza) poate fi transcris intr-un ARN de polaritate opusa. Aici sunt incluse myxovirusurile.

- virusuri cu ARN dublu catenar si care, cu ajutorul unei ARN polime­raze poate fi transcris intr-un ARNm. In aceasta grupa intra retrovirusurile.