Structura cromozomilor si categorii de cromozomi In 1888 W. Waldeyer introduce in biologie notiunea de cromozom si precizeaza ca in timpul diviziunii nucleul se imparte constant in doua entitati egale din punct de vedere al continutului in aceste structuri. Cromozomii au fost ulterior identificati ca substrat al informatiei ereditare. Waldeyer preciza ca un cromozom reprezinta corpusculul colorat, vizibil in fimpul diviziunii celulare. Cromozomul este alcatuit dintr-o macromolecula de ADN, in constructia caruia intra mai multe gene linkate.
Cromozomii indiferent de modul de organizare fizica si moleculara,sunt unitati genetice permanente,care isi conserva individualitatea,proprietatile structural- functionale si se transmit prin auto-aplicare de-a lungul generatiilor celulare. La microscop cromozomii pot fi evidentiati in cursul diviziunii celulare ca niste formatiuni avand o structura si un numar caracteristic pentru o anumita specie.cromozomii asigura transmiterea informatiei genetice de la o generatie celulara la alta.La inceputul mitozei, cromozomii care au suferit o duplicatie in cursul interfazei apar la microscop ca fiind formati din doua cromatide, unite intr-un singur loc denumit centromer.Dupa aceea cromatidele se separa complet si devin cromozomi-fii, care migreaza in cele doua celule fiice rezultate prin aceasta diviziune. Forma cromozomilor depinde de pozitia centromerului, structura cu ajutorul careia cromozomul se ataseaza de fibra fusului nuclear si are posibilitatea sa migreze la polii celulei in timpul anafazei.
1
Structura moleculara a cromozomilor la procariote si eucariote Se stie ca procariotele nu au nuclei prevazuti cu o membrana nucleara, nu se divid prin mitoza si meioza, nu au fus nuclear si nu au un ciuclu de condensare a cromozomilor. Procariotele au un singur cromozom alcatuit din ADN sau ARN si deci un singur grup de linkage a genelor. In prezent, in grupul procariotelor sunt incluse : -
organisme de tip acelular: virusurile si viroizii
-
organisme de tip celular : eubacteriile, algele verzi si arhebacteriile
Eucariotele au un numar constant de cromozomi pentru o anumita specie si o cantitate mai mare de material genetic. Arhitectura moleculara este mult mai complexa decat cea a procariotelor. Cromozomul la procariote Virusurile au genonul reprezentat de un cromozom de forma circulara sau lineara, in care sunt dispuse genele intr-o anumita ordine. Cromozomul viral este reprezentat de o macromolecula de ADN sau ARN . Bacteriile au un singur cromozom de forma circulara reprezentat de o macromolecula de AND bicatenar. El se prezinta puternic rasucit si condensat, s-a demonstrat ca cromozomul bacterian este alcatuit din 40-50 bucle avand superrasuciri secundare alcatuite din cirta 400 perechi de nucleotine. Cromozomii la eucariote La eucariote cromozomii au o structura foarte complexa alcatuiti din ADN, ARN, proteine histonice si nonhistonice. Cromozomii de tip eucariot sunt alcatuiti din cromatina, care este de doua feluri : eucromatina, substanta cromozomiala care se coloreaza normal si care se replica de-a lungul fazei S a ciclului mitotic si heterocromatina, mai condensata care se coloreaza mai intens in toate fazele diviziunii celulare si se replica la sfarsitul fazei S a ciclului mitotic.
Tipuri de cromozomi -metacentric-are centromerul median -submetacentric-are centromerul plasat submedian -subtelocentric -acrocentric
2
a.
b.
c.
Tipuri de cromozomi:(a) Metacentrici; (b) Submetacentrici; (c) Acrocentrici
Cromozomii nu sunt vizibili pana cand celulele nu incep sa se divida ; in stadiul diviziunii celulare ,numit metafaza,atunci ei devin mai compacti si pot fi vazuti la microscop. Fiecare cromozom prezinta o secventa specifica , un punct de constrictie , numit centromer care ii da cromozomului forma lui specifica si il divide. Fiecare om poarta 46 de cromozomi in celule somatice nucleate, in 23 de perechi.Centromerul este punctul in care se unesc cele doua cromatide ale unui cromozon.Cromozomii variaza in marime si forma si de obicei apar perechi Exista doua tipuri de cromozomi: -cromozomul de tip procariot -cromozomul de tip eucariot.
1. Cromozomul de tip procariot
Acesta este caracteristic bacteriilor si algelor albastre-verzi are o organizare relativ simpla si este format dintr-o macromolecula de ADN,dublu catenara,elicala circular covalent inchisa , cu o varietate de proteine. 3
GENOMUL VIRAL: este alcatiut dintr-o molecula de ADN (acidul dezoxiribonucleic) sau ARN (acidul ribonucleic),unicatenara sau bicatenara,liniara sau circulara,inchisa intr-un invelis de proteine. - are o functionalitate particulara -la viroizi genomul este in exclusiv ADN -la eucariote are o organizare mai complexa in sensul ca ADN este permanent compexat cu proteine histonice si alte proteine. Fiecarei specii ii apartine un anumit numar de cromozomi,de forma si structura bine definite;astfel organismele eucariote pot fi identificate prin complementul lor cromozomal. Toate celulele din constitutia corpului unui organism pluricelular au aceiasi numar de cromozomi,acesta fiind in numar de doi. Celulele reproducatoare poseda numai un singur set de cromozomi si se numesc haploide. Numarul de cromozomi din cadrul setului haploid este o constanta pentru fiecare specie. majoritatea speciilor de plante ,animale si fungi au complemente cromozomale formate din 10-50 de cromozomi. Forma cromozomilor metafizici este adesea de betisoare;uneori pot fi filoformi sau granulari. Dimensiunile cromozomilor sunt in general de ordinul micronilor. Autozomii sunt cromozomo normali ai complementului unei specii.Ei poarta gene care controleazadiferite caractere;morfo-anatomice si eco-fiziolologice ale organismelor. Heterozomii sunt cromozomi care contin un set de gene cu rol decisiv in determinarea sexului unui individ.
2. Cromozomul de tip eucariot Materialul genetic este reprezentat dintr-un genom nuclearşi un genom extranuclear (reprezentat din genomul mitocondrialşi, în cazul celulelor vegetale,şi din genom cloroplastic). Genomul nuclear cuprinde un set de molecule lineare de ADN, fiecare reprezentând uncromozom. Fără excepţie, toate eucariotele au cel puţin 2 cromozomi care întotdeauna sunt lineari.Singura variaţie care se înregistrează este cea referitoare la numărul de cromozomi, care însă nu estecorelată cu caracteristicile biologice sau cu poziţia evolutivă a organismului respectiv. Astfel, la Saccharomyces cerevisiae (drojdia de bere - un eucariot unicelular, inferior) numărul haploid de cromozomi este 16, de 4 ori mai mare decât la muscă (Musca domestica). De asemenea, numărul decromozomi nu este corelat nici cu dimensiunea genomului; de exemplu, la
4
salamandră genomul estede 30 ori mai mare decât la om, dar are jumîtate din numărul haploid de cromozomi de la om. Cromozomii eucarioţi sunt separaţi de citoplasmă prin membrana nuclearăşi, ca urmare,transcriereaşi traducerea sunt separate în timpşi spaţiu una de cealaltă; în contrast, la procariote, celedouă procese se de sfăşoară aproximativ simultan.
Structura cromozomului metafazic la eucariote Fiecare cromozom metafazic este format din doua subunitati separate intre ele longitudinal, denumite cromatide (brate), care se unesc printr-o structura numita centromer, cu diametru mai mic decat al cromozomului, de aceea se mai numeste si constrictie primara. La capetele cromozomilor se gasesc telomerii, acestia asigurand replicatia si stabilitatea cromozomului, totodata impiedicand cromozomii sa se lipeasca prin capete. Apara capetele cromozomilor de actiunea degradativa a exonucleazelor, asigurand replicarea exacta a portiunilor terminale cromozomiale.Unii cromozomi pot prezenta la capetele cromatidelor, constrictii secundare, urmate de o structura heterocromatica numita satelit. Este o formatiune sferica, avand rol de organizator nucleolar. De obicei, numarul de sateliti coincidecu numarul de nucleoli din nucleul celulei. Pe cromatide exista mai multe origini de replicare – repliconi, secvente de nucleotide unde incepe replicatia in timpul fazei S a ciclului celular. Centromerul are rolul de a fixa cromozomul pe filamentele fusului nuclear si de a asigura deplasarea acestuia spre cei doi poli in timpul diviziunii celulare. Are un rol deosebit in mentinerea unitatii structurale a cromozomului si are o structura speciala. “Inima” centromerului este formata din ADN mare (aprox. 220 pb) si este impartita in 4 regiuni. La suprafata centromerului se afla kinetocorul – alcatuit din ADN si proteine. Exista specii (unele plante si nevertebrate) la care centromerii sunt difuzi si ocupa intreaga suprafata a cromozomilor (cromozomi policentrici) Cromatidele sunt unitatile morfo-functionale de recombinare si segregare cromozomiala. Observatiile electronice au evidentiat faptul ca fiecare cromatida este formata din cate 2 filamente fine cu diametrul de aproximativ 30 Å, cromoneme sau subcromatide. Cromonemele se spiralizeaza si se scurteaza puternic in timpul diviziunii. Pot fi colorate specific, astfel, putandu-se observa pe cromoneme portiuni mai intens colorate, care apar ca niste ingrosari pe cromozom si se numesc cromomere care le dau aspectul unui sirag de margele.
5
Daca se folosesc coloranti bazici, se pot observa pe cromatide, zone care se coloreaza mai intens, numite heterocromatice si zone care se coloreaza mai slab (normal) – zone eucromatice. Zonele heterocromatice au o densitate mai mare a cromonemei, deci procesele de condensare si decondensare sunt mai intense aici, decat in restul cromozomului. Aceste zone sunt mai des intalnite in zona centromerului, la capetele cromatidelor – in telomere si in zona organizatorilor nucleolari. Heterocromatina poate fi de doua tipuri: -
constitutiva – permanent condensata, prezenta de la nastere pana la sfarsitul vietii, de exemplu, la cromozomul Y de la Drosophila melanogaster.
facultativa - un tip de heterocromatina care sufera modificari de-a lungul dezvoltarii individuale, de exemplu, unul din cromozomii X de la femelele vertebratelor, apare in nucleul inetrfazic intens colorat, corpuscul Barr sau cromatina sexuala si care este nefunctional din punct de vedere genetic
Categorii de cromozomi A. Cromozomi principali. Sunt cromozomii cu cea mai larga raspandire, altfel spus cromozomii caror prezenta este considerata normala pentru celulele somatice si pentru cele sexuale normale si sunt grupati in doua clase : cromozomi A si cromozomi B. Cromozomii A sunt comozomi tipici, normali ai complementului cromozomial ce defineste o specie. Ei se comporta constant atat sub aspect tipologic cat si sub aspect numeric. Cromozomii B supranumiti si cromozomi accesorii sau suplimentari, sunt cromozomi aflati in exces, putand fii in numar variabil atat la plante cat si la animale. Un exemplu tipic de planta cu cromozom B este Zea mays. Numarul cromozomilor B este extrem de variabil , nu numai de la individ la individ, ci si intre tesuturile aceluiasi individ. Croimozomii B nu manifesta fenomenul de omologie nici intre ei si nici cu cromozomii A. Sunt de obicei heterocromatici, mici si inerti din punct de vedere informational. In diviziunea celulara distributia lor nu este egala catre celulele fiice. Nu li se cunoaste originea ci se presupune doar ca au aparut din regiunile centrale ale unor cromozomi A, prin pierderea de catre acestia a extremitatiilor(extremitati ce s-au putut atasa la alti cromozomi A, modificandu-le constitutia, deci continutul informational). B. Cromozomii secundari sunt acei cromozomi care coexista cu cromozomii A si B numai in anumite celule. In aceasta categorie intra cromozomii uriasi sau politenici din glandele salivare de la Drosophila melanogaster, Chironomidae, si alte insecte, cromozomii lampbrush (perie de lampa) prezenti in oocitele vertrebratelor, in profaza meiozei.
6
Cromozomii uriasi sunt de doua categori : -cromozomi politenici -cromozomi in perie de lampa
Cromozomii politenici au fost descoperiti de catre E. Balbiani in 1881 in glandele salivare de Chironomus. Ca dimensiune ei depasesc de 100-200 ori lungimea cromozomilor normali. Cromozomii politenici au fost depistati si in unele celule somatice ale larvelor de diptere (cum ar fi tubul digestiv), fiind prezenti chiar si la unele plante si la alte specii de nevertebrate. Cauza aparitiei acestor cromozomi este relativ simpla – celula in care ei se gasesc, nu se divide, ci doar isi mareste dimensiunile. Nucleul respectivelor celule se gaseste intr-o perpetua stare de interfaza. Fiecare cromozom ia aspecutl unui fascicul de filamente de unde si numele lor de politenici. Cromozomii uriasi de la Drosophila melanogaster formeaza o figura tipica, fiind constituiti din cinci brate lungi si unul mai scurt. La punctul de intretaiere formeaza cromocentrul. In cromozomii uriasa (politenici) numarul cromonemelor dintr-un brat este de aprox. 256, deci cu mult mai mare decat normalul (doua cromoneme/cromatida). Cromozomii lampbrush (perie de lampa) sunt tot cromozomi uriasi. Forma lor se datoreaza conjugarii cromozomilor omologi intr-un singur complex. Cromozomii sunt puternic despiralizati si formeaza bucle simetrice cu orientare perpendiculara bpe axul complexului. Cromozomii de tip lampbrush sunt prezenti in oocitele amfibienilor, molustelor, echinodernelor, pestilor, reptilelor, la unele mamifere si chiar la ceapa. O asemenea conformatie se gasete si la cromozomul Y de la Drosophila melanogaster. La unele specii acesti cromozomi ating lungimea de peste 1000μ, fiind considerati cei mai lungi cromozomi. Avand in cedere despiralizarea lor puternica, cromozomii sunt deosebit de activi in procesul dezvoltarii oocitelor. In buclele cromozomilor perie de lampa are loc o transcriere a informatiei materializata in sinteze de ARN mesager.
7
Cromozomi in perie de lampa la o bucla
Cromozomi in perie de lampa la o marire
marita : 1. Axa cromozomului, 2. Fibrele
redusa : A. Bucla
cromozomale, 3. Matrix (ARN si proteine)
B. Axa cromozomului
C. Cromozomii sexuali (heterozomi)- sunt notati simbolic XX la femei si XY la sexul mascul Cromozomii sexuali difera de autozomi si se comporta diferit fata de acestia.Cromozomii sexuali sunt cromozomi care sunt diferiti la cele doua sexe si contribuie la determinismul genetic al sexelor si se numesc heterozomi.Daca exista heterozomi avem un determinism cromozomial al sexelor. Numarul haploid de cromozomi al speciilor diploide stramosesti au capatat denumirea de genom si se noteaza cu X. In general numarul de cromozomi este stabil si caractreristic pentru celulele fiecarei specii. Forma cromozomilor constituie de asemenea o caracteristica de gen si specie. Cromozomii sunt numerotaţi de la 1 la 22, atât la bărbaţi cât şi la femei. Aceştia se numesc autozomali.
8
Perechea 23 este diferită la bărbaţi şi femei şi poartă denumirea de cromozomi sexuali. Există două feluri de cromozomi sexuali cromozomul X şi cromozomul Y Cromozomii sexului (heterozomii) umani au aparut printr-un proces de diversificare a unei perechi de autozomi, în cursul evolutiei. Din pacate, nu s-au evidentiat înca etape intermediare ale procesului de diversificare al autozomilor. Totusi, o serie de dovezi au fost aduse în sprijinul ipotezei care sustine transformarea perechii de autozomi în gonozomi. Ipoteza arata ca acum 300 milioane ani unul dintre autozomii perechii initiale a pierdut segmente cromozomiale reducându-se ca marime si devenind cromozomul Y uman; celalalt autozom , a ramas neschimbat ca marime, devenind la om cromozomul X. În consecinta, cromozomul X a pastrat integral setul de gene majore , ce a existat pe perechea initiala. Transformarea autozomului initial în Y s-ar fi realizat prin modificari structurale de tipul deletiilor, inversiilor, translocatiilor, dar si prin crossig-over inegal. Determisismul gentic poate fi cromozomial sau genic. Cel mai comun tip de determinism genetic este cel cromozomial D. Cromozomii somatici Acestia poarta numele de autozomi si configuratia lor este dependenta de pozitia centromerului.Descrierea cromozomilor se face incepand cu metafaza si sfarsitul profazei.
Modificari in structura cromozomilor : Modificările în structura cromozomului apar când materialul genetic dintr-un cromozom este rupt şi rearanjat într-un anumit fel. Acest lucru poate cauza un plus sau o lipsă de material cromozomial şi se poate produce în mai multe moduri, pe care le vom discuta în cele ce urmează. Modificările în structura cromozomului pot fi foarte subtile şi dificil de detectat de către cercetători în laborator. Chiar şi atunci cînd este descoperită modificarea în structură, este adesea greu de anticipat efectul pe care aceasta îl va avea asupra copilului. Acest lucru poate fi frustrant pentru părinţii care vor să obţină cât mai multe informaţii despre viitorul copilului lor.
9
Deleţiile Termenul de deleţie cromozomială înseamnă că o parte din cromozom a fost pierdută. O deleţie se poate întâmpla pe oricare din cromozomi şi pe oricare parte a unui cromozom. Deleţia poate avea orice dimensiune. Dacă materialul genetic (genele) care a fost deletat conţine informaţii importante pentru organism, persoana în cauză poate prezenta retard mintal, tulburări de dezvoltare şi probleme de sănătate. Gravitatea acestora depinde de mărimea părţii din cromozom care s-a pierdut şi de locul unde deleţia a avut loc. Duplicaţiile Termenul de duplicaţie cromozomială înseamnă că un cromozom şi-a duplicat o parte din el însuşi, astfel încât există prea mult material genetic. Acest plus de material genetic poate însemna că sunt prea multe instrucţiuni care să poată fi procesate de organism şi aceasta poate duce la retard mintal, tulburări de dezvoltare şi probleme de sănătate.
Inserţiile Inserţiile cromozomiale înseamnă că o parte din materialul genetic se rupe şi inserează într-o pozitie greşită, fie în cromozomul respectiv, fie în alt cromozom. Dacă nu este nici plus şi nici lipsă de material genetic, persoana respectivă poate fi sănătoasă. Dacă există plus sau lipsă de material genetic, persoana respectivă poate prezenta retard mintal, tulburări de dezvoltare şi probleme de sănătate.
Cromozomi inelari Termenul de cromozomi inelari înseamnă că terminaţiile unui cromozom se unesc formând un “inel”. Acest lucru se întâmplă de obicei când cele două terminaţii ale unui cromozom sunt deletate. Capetele care rămân sunt “lipicioase” şi se unesc sub forma unui inel. Efectul pe care acest fenomen îl produce asupra persoanei
10
respective depinde, de obicei, de cantitatea de material genetic care s-a pierdut înainte de a se forma inelul.
Inversiile Inversiile cromozomiale înseamnă că o parte din cromozom s-a răsucit astfel încât succesiunea genelor din cromozom este parţial inversată. În majoritatea cazurilor acest lucru nu detemină probleme de sănătate persoanei purtătoare a unei inversii.
11
