Conteúdo
- A cromatina contém DNA e proteínas
- Histonas consiste em proteínas básicas
- Os nucleossomos são as unidades estruturais da cromatina
- Nucleossomos para estruturas de ordem superior
- Manutenção de estruturas cromossômicas condensadas por proteínas SMC
- Nível de organização no DNA bacteriano
- Conclusões
- Entrevista Q&A
A cromatina contém DNA e proteínas
A divisão celular ou ciclo celular em células eucariotas induz mudanças significativas na estrutura cromossômica. Nas células eucarióticas presentes no G0 fase (fase de não divisão) e aquelas nas fases iniciais do ciclo celular, como fase G1, S e G2 (fases de interfase), a cromatina (material cromossômico) é amorfa e aleatoriamente espalhada em porções específicas do núcleo .
Na fase S, Replicação do DNA (duplicação), que já está presente no estado amorfo. Assim, cada cromossomo produz duas cromátides-irmãs (chamadas de cromossomos-irmãos) que permanecem unidas mesmo após o término da replicação.
A cromatina torna-se significativamente mais condensada durante a prófase da mitose, aparecendo em um número específico de cromátides irmãs específicas para as espécies.
A cromatina compreende estruturas semelhantes a fios contendo proteínas, e o DNA é aproximadamente equivalente a massas. Uma pequena quantidade de RNA geralmente está presente na cromatina. Na cromatina, as proteínas estão fortemente ligadas ao DNA. Essas proteínas são conhecidas como histonas. O DNA adere às proteínas histonas para formar os blocos de construção da estrutura da cromatina conhecida como nucleossomo.
Da mesma forma, numerosas proteínas não histonas também são encontradas na cromatina. As proteínas histonas estão geralmente envolvidas na regulação da expressão gênica, juntamente com a manutenção integral da estrutura cromossômica.
Começando com os nucleossomos, o DNA cromossômico eucariótico é compactado em uma progressão de estruturas de nível superior que finalmente produzem um design compacto conhecido como cromossomo, que pode ser visto com a ajuda de um microscópio de baixo aumento (microscópio óptico). Podemos facilmente comparar essa estrutura compacta facilmente visível com o DNA de uma bactéria.
Histonas consiste em proteínas básicas
- As histonas existem na cromatina de quase todas as células eucarióticas.
- As histonas têm um peso molecular entre 11,000 e 21,000 quilodaltons.
- As histonas têm abundância de aminoácidos como a lisina e a arginina (cerca de 25%), que são de natureza básica.
- As proteínas histonas presentes nas células eucarióticas são classificadas em cinco classes diferentes com base em sua composição de aminoácidos e peso molecular. São eles: H1, H2A, H2B, H3 e H4.
Proteínas de histonas como H1, H2A e H2B exibem a menor similaridade de sequência entre os eucariotos.
As proteínas histonas H4 têm funções conservadas, e apenas 2 de 102 resíduos de aminoácidos são diferentes entre os resíduos de aminoácidos das proteínas histonas H4 de ervilhas e vacas. Apenas oito resíduos de aminoácidos diferem nos resíduos de aminoácidos de levedura e humanos. A sequência de aminoácidos é quase idêntica em todos os eucariotos.
Todo tipo de histona tem variações nas estruturas e na sequência de aminoácidos; é porque as cadeias laterais do aminoácido são enzimaticamente manipuladas por glicosilação, fosforilação, ADP-ribosilação e acetilação ou metilação. Essas modificações químicas podem afetar a forma, a carga elétrica líquida e várias outras propriedades das histonas. Eles também afetam as propriedades funcionais e estruturais da cromatina e regulam a transcrição.
Os nucleossomos são as unidades estruturais da cromatina
Um cromossomo eucariótico é uma forma altamente compacta de molécula de DNA com comprimento de aproximadamente 105 micrômetros, que vai caber no núcleo de aproximadamente 10 micrômetros. Essa compactação inclui vários níveis de eventos de dobra contínua e superenrolamento.
O tratamento dos cromossomos para desdobramento parcial revela que alguns grânulos fortemente ligados de proteínas como estruturas estão presentes regularmente.
Essas estruturas de “contas em um fio” são, na verdade, complexos de proteínas histonas e DNA. O grânulo (DNA e histonas) e o DNA de conexão entre os dois grânulos formam um nucleossomo. Um nucleossomo é a unidade estrutural da cromatina de ordem superior (cromossomos) presente em uma célula.
Cada grânulo de um nucleossomo consiste em oito moléculas de histonas: duas duplicatas de cada uma de H4, H3, H2A e H2B. Um único nucleossomo contém 200 bp de DNA, dos quais 146 bp de DNA estão firmemente envolvidos em torno do núcleo da histona.
Em contraste, o DNA restante atua como um DNA ligante entre duas esferas de nucleossomos e se liga à subunidade H1 da proteína histona.
Quando a cromatina é tratada com enzimas de digestão de DNA, ela causa a digestão seletiva do DNA ligante, resultando no desprendimento de partículas de histona contendo 146 bp de DNA ligado que foi protegido das enzimas de digestão de DNA.
Os cientistas purificaram o nucleossomo com sucesso e, após estudos de difração de raios-X, observou-se que um nucleossomo composto por oito moléculas de histonas com um pouco de DNA enrolado em torno dele que está presente na forma de uma superespiral solenoidal canhota.
Estudos posteriores justificaram o DNA eucariótico underwound, apesar da presença de proteínas que underwind DNA. Isso mostra que os nucleossomos com envoltório solenoidal de DNA são, na verdade, um tipo de superenrolamento que pode ser possuído pelo DNA subjacente (superenrolado negativamente). Para envolver o DNA nas histonas, as proteínas precisam eliminar cerca de uma volta do DNA.
Quando as proteínas do núcleo do nucleossomo se ligam a um DNA circular em um estado relaxado, induz superenrolamento negativo no DNA circular fechado. Uma vez que esse processo de ligação não quebra o DNA ou altera o número de ligação, o desenvolvimento de superenrolamento solenoidal negativo deve ter algum superenrolamento positivo para compensação na área não ligada do DNA.
As topoisomerases eucarióticas podem lidar com superenrolamento positivo relaxando o superenrolamento positivo (não ligado) e deixando o superenrolamento negativo fixo (pelo local de onde está ligado às proteínas do núcleo da histona), o que resulta em um decréscimo líquido no número de ligação . Com certeza, topoisomerases têm se mostrado essenciais para associar a cromatina obtida a partir de histonas e o DNA circular in vitro.
A sequência da ligação do DNA às proteínas histonas também afeta a força de ligação e outros parâmetros de ligação do DNA às histonas. As proteínas histonas não se ligam aleatoriamente ao DNA. Embora o mecanismo não seja claramente compreendido até agora, as proteínas Histonas preferem se ligar ao DNA da sequência rica em AT (sequência com muitos pares de bases AT).
A forte ligação do DNA sobre o centro da histona do nucleossomo precisa de uma pequena compressão do sulco no DNA nos pontos de ligação. Além disso, deve haver alguns (2 ou 3) pares de base AT para tornar o processo de compressão mais viável.
Várias outras proteínas também são necessárias para posicionar o DNA no núcleo da histona nucleossômica com precisão. Em alguns organismos, várias proteínas interagem com uma sequência particular de DNA e ajudam a formar um complexo com o núcleo de histonas nucleossômicas. Este processo também modula a expressão gênica em eucariotos.
Nucleossomos para estruturas de ordem superior
O enrolamento do DNA em torno de um núcleo de histona do nucleossomo encurta o comprimento do DNA em cerca de sete vezes. A compactação em um cromossomo é tão alta quanto 10,000 vezes, apoiada por provas adequadas para a presença da organização cromossômica de ordem superior. Alguns cromossomos isolados mostram que os nucleossomos existem em estruturas altamente organizadas conhecidas como fibra de 30 nm.
Esse tipo de embalagem precisa de uma molécula de histona H1 por nucleossomo. A organização do nucleossomo em fibras de 30 nm não está presente em todo o conjunto de cromossomos e é intercalada por áreas onde o DNA está ligado a proteínas não histonas específicas da sequência. A estrutura de 30 nm adicionalmente aparece na região onde a atividade transcricional está acontecendo.
As áreas nas quais os genes estão sob expressão ou transcrição estão obviamente em uma condição menos ordenada, contendo muito pouca ou baixa subunidade de histona H1. A fibra de 30 nm é considerada o segundo grau de associação da cromatina, dando 100 vezes mais compactação ao DNA.
Embora o mecanismo exato do superenrolamento de nível superior ainda não seja claramente compreendido, parece que algumas regiões do DNA interagem com o arcabouço nuclear.
A região de andaime (onde o DNA se liga à histona de um nucleossomo) rara separada por uma alça de DNA de 20 a 100 kbp. Este loop de DNA também pode conter alguns genes relacionados. Por exemplo, em Drosophila, os genes que codificam as histonas se agrupam em loops e se ligam ao andaime.
O andaime parece conter poucas outras proteínas, muita histona H1 (situada na estrutura interna da fibra) e topoisomerase II. A presença da topoisomerase II aponta ainda mais para a relação entre a estrutura da cromatina e o enrolamento do DNA.
A topoisomerase II é tão vital para a manutenção da estrutura da cromatina que os inibidores da enzima topoisomerase II são capazes de matar as células em divisão. Esses inibidores promovem a quebra do filamento, mas não permitem que a topoisomerase II sele essas quebras.
Existe prova para camadas extras de associação em cromossomos eucarióticos, cada camada aumentando significativamente o nível de compactação.
A estrutura da cromatina de nível superior provavelmente muda de cromossomo para cromossomo, dentro de um cromossomo e de condição para condição a existência de uma célula. No entanto, nenhum modelo é capaz de explicar essas estruturas. Embora, a regra seja clara: nos cromossomos eucarióticos, a compactação do DNA tem bobinas sobre bobinas do tipo condensação.
A palavra “cromossomo” se refere a um ácido nucléico, que é o reservatório da informação genética de um organismo. Da mesma forma, este termo também é usado para as estruturas coloridas compactamente empacotadas visíveis no núcleo de uma célula tingida visível ao microscópio.
Manutenção de estruturas cromossômicas condensadas por proteínas SMC
A terceira classe de proteínas da cromatina, junto com as histonas e topoisomerases, são as proteínas SMC (manutenção estrutural dos cromossomos). A construção da estrutura das proteínas SMC contém cinco domínios particulares.
O terminal carboxila do terminal amino do domínio globular desempenha um papel na hidrólise do ATP e está associado aos motivos em espiral α-helicoidal ligados ao domínio de dobradiça. Estas são proteínas diméricas que formam um complexo em forma de V que também está conectado ao domínio de dobradiça.
Os domínios C e N ficam próximos para finalizar a formação do sítio hidrolítico de ATP em ambas as extremidades do complexo V. As proteínas listadas na família SMC são geralmente encontradas em muitos organismos vivos, de micróbios a mamíferos. Os eucariotos têm basicamente dois tipos de proteínas SMC, nomeadamente condensinas e coesinas.
As coesinas têm um papel importante na união das cromátides irmãs após a replicação até que se condensem para formar o cromossomo na metáfase. Essa interação é importante porque os cromossomos precisam se desprender adequadamente durante a divisão celular.
Embora os mecanismos bem explicados pelos quais as coesinas conectam os cromossomos irmãos e a importância da hidrólise do ATP não sejam claramente compreendidos. À medida que a célula se prepara para entrar na mitose, a condensina desempenha um papel significativo na condensação cromossômica.
Em condições in vitro, as condensinas interagem com o DNA e formam superenroladas positivas; restringir a condensina faz com que o DNA se torne overwound, em vez de underwinding iniciado pela ligação do nucleossomo. Os mecanismos exatos pelos quais a condensina promove a compactação da cromatina ainda não são claramente compreendidos.
Nível de organização no DNA bacteriano
Estamos prestes a discutir o estrutura detalhada dos cromossomos bacterianos. O DNA bacteriano está presente na forma de uma estrutura compacta conhecida como nucleoide. Ocupa grande parte do volume da célula (Figura). O DNA se une à membrana interna da membrana plasmática em vários locais.
Em comparação com a cromatina eucariótica, menos detalhes são conhecidos sobre o nucleóide. Em E. coli, uma estrutura semelhante a andaime parece organizar o cromossomo circular fechado em um arranjo de loops, como descrito acima para a cromatina. No entanto, o DNA bacteriano não parece ter qualquer estrutura semelhante aos nucleossomos eucarióticos.
Embora E. coli tenha várias proteínas semelhantes às histonas eucarióticas (geralmente são diméricas (Mw 19,000 KDa), não são muito estáveis e se degradam em poucos minutos. Portanto, não são encontradas na forma de um complexo de histonas de DNA. O cromossomo bacteriano fornece informações genéticas mais acessíveis, portanto, é considerado uma bio-macromolécula muito dinâmica.
A bactéria se divide por fissão binária (um tipo de divisão celular) e leva cerca de 15 minutos. Em contraste, uma célula eucariótica comum não entra no ciclo de divisão por horas ou mesmo meses. Da mesma forma, uma parte muito significativa do DNA procariótico é utilizada para codificar o RNA e a proteína.
Taxas aumentadas de metabolismo celular em micróbios implicam que uma alta proporção do DNA sofre transcrição ou replicação em um determinado momento, em comparação com as células eucarióticas.
Conclusões
Neste artigo, discutimos sobre os aspectos cruciais do empacotamento do DNA e das estruturas de ordem superior. Para obter uma melhor compreensão deste tópico, leia nosso artigo sobre Superenrolamento de DNA.
Entrevista Q&A
T1. Quais são as funções e a estrutura de um cromossomo?
Responda: Os cromossomos têm a forma de um fio e são colocados dentro do núcleo de uma célula eucariótica. Os procariontes não possuem vários cromossomos. Em vez disso, eles geralmente têm um único cromossomo circular conhecido como nucleóide. Os cromossomos são DNA (geralmente uma única molécula de DNA) e proteínas (histonas e algumas proteínas não histonas). A função exclusiva dos cromossomos é que eles carregam genes responsáveis pela herança de características genéticas e pela transferência de informações genéticas para os descendentes.
2º trimestre. Como as mudanças na estrutura dos cromossomos podem afetar um indivíduo?
Responda: Muitos fatores são responsáveis pelas mudanças estruturais nos cromossomos. Essas mudanças podem acarretar diferenças na expressão gênica de um indivíduo, o que acaba por causar alterações na expressão de proteínas e também nas funções do corpo.
3º trimestre. Como uma estrutura de DNA muito longa se ajusta aos pequenos núcleos?
Responda: O DNA está presente nos cromossomos tem um comprimento de centímetros. Ele se encaixa no núcleo com raios da ordem de micrômetros com o auxílio de ácidos nucléicos que se ligam a proteínas histonas. O DNA dos cromossomos tem carga negativa, que se liga às proteínas histonas carregadas positivamente para formar nucleossomos. Um único nucleossomo envolve 146 pares de bases de DNA, fazendo 1.65 voltas no núcleo da histona.
Q4. Quais são os dois tipos de cromossomos?
Responda: Com base no sexo de um indivíduo, os cromossomos são divididos em duas categorias
- 1- Autossomos (responsáveis pelo funcionamento do corpo. São 44 em número, 22 pares)
- 2- Alossomos (cromossomos sexuais, responsáveis pelo funcionamento das características sexuais secundárias são 2 em número, um par)
Os humanos têm autossomos (22 pares) e alossomos (um par) ou cromossomos sexuais.
Q5. Cite os componentes dos cromossomos eucarióticos.
Responda: Os cromossomos em eucariotos são compostos principalmente de componentes proteicos (histonas e não histonas), componentes de ácido nucléico (DNA e pequena quantidade de RNA) e alguns íons metálicos, etc.
Q6. O que aconteceria se uma pessoa tivesse um cromossomo extra?
Responda: Cromossomos extras nas células de uma pessoa levam a anormalidades cromossômicas.
A presença de uma cópia extra do cromossomo 21 (trissomia) leva à síndrome de down. A síndrome de Klinefelter é causada por um cromossomo X extra no indivíduo, tornando seu genótipo 44 + XXY.
Q7. Quais são os tipos de cromossomos com base na posição do centrômero?
Responda: existem quatro tipos de cromossomos com base na posição do centrômero
- Metacêntrico
- Submetacêntrico
- Acrocêntrico
- Telocêntrico
Q8. Mencione duas maneiras de classificar os cromossomos.
Responda: Os cromossomos são classificados com base em vários critérios:
- Com base nas posição do centrômero:
- Metacêntrico: O centrômero está presente no meio do cromossomo
- Submetacêntrico: O centrômero está presente próximo ao meio do cromossomo
- Acrocêntrico: O centrômero está presente perto de uma extremidade do cromossomo
- Telocêntrico: O centrômero está presente na posição terminal do cromossomo
- Baseado em cromossomos sexuais:
- Autossomos: Responsável pelas funções normais do corpo
- Alossomos: responsável pelas características sexuais secundárias
Q9. O que são histonas? Quais são suas funções importantes?
Responda: As histonas são proteínas de ligação ao DNA básicas e carregadas positivamente (uma vez que o DNA tem carga negativa) que ajudam no superenrolamento do DNA. As histonas formam um núcleo que faz com que o DNA se enrole. Assim, a ligação às histonas é responsável por regular a expressão dos genes.
Q10. Quantos tipos de histonas estão presentes nas células eucarióticas?
Responda: Cinco tipos de proteínas histonas são encontrados em células eucarióticas. De cinco, quatro estão envolvidos na formação do núcleo de histonas do nucleossomo (H2A, H2B, H3 e H4), enquanto H1 se liga ao DNA na superfície do nucleossomo.
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Eu sou Abdullah Arsalan, concluí meu doutorado em Biotecnologia. Tenho 7 anos de experiência em pesquisa. Publiquei até agora 6 artigos em revistas de renome internacional com fator de impacto médio de 4.5 e mais alguns estão em consideração. Apresentei trabalhos de pesquisa em diversas conferências nacionais e internacionais. Minha área de interesse é biotecnologia e bioquímica com ênfase especial em química de proteínas, enzimologia, imunologia, técnicas biofísicas e biologia molecular.