Superenrolamento do ADN

O superenrolamento do ADN é o sobreenrolamento superior ao normal dunha febra de ADN, e é unha expresión da tensión a que está sometida a febra. Os mesmos principios que serven para estudar o superenrolamento utilízanse para estudar o subenrolamento. No superenrolamento a molécula de ADN está xirada sobre si mesma. O superenrolamento é importante en varios procesos biolóxicos, como a compactación do ADN. Ademais, certos encimas como as topoisomerases poden cambiar a topoloxía do ADN para facilitar funcións como a replicación do ADN e a transcrición. Utilízanse expresións matemáticas para describir o superenrolamento comparando diferentes estados de enrolamento desde as formas enroladas ás relaxadas da forma B do ADN.
Como regra xeral, o ADN da maioría dos organismos está superenrolado negativamente. Función do superenrolamento
Nun segmento de dobre hélice "relaxada" de ADN B, as dúas febras enróscanse arredor do eixe da hélice cada 10, 4–10, 5 pares de bases da secuencias. Se se engaden ou quitan enroscamentos, como certos encimas poden facer, créase unha tensión. Se un segmento de ADN sometido a unha forza de torsión está pechado formando un círculo porque se uniron os seus dous extremos, e despois se deixa que se mova libremente, este ADN circular contorsionaríase tomando unha nova forma, como a figura simple do número oito. Esta contorsión é un superenrolamento.
Esta figura que lembra a un oito é o superenrolamento máis simple, e é a forma que un ADN circular adopta para acomodarse ao exceso ou diminución de enroscamentos na hélice. Os dous lóbulos da figura do oito mencionada aparecerán rotados no sentido das agullas do reloxo ou en contra de dito sentido un con respecto ao outro, dependendo de se a hélice está superenrolada ou subenrolada. Para acomodar cada enroscamento adicional da hélice, os lóbulos experimentarán máis rotacións arredor dos seus eixes.
O termo "superenrolamento" úsase pouco no contexto da topoloxía do ADN, xa que no seu lugar, as contorsións globais dun ADN circular, como a rotación dos lóbulos da figura do oito antes mencionados, denomínanse retorcedura (writhe na literatura científica inglesa). O exemplo anterior ilustra que o enroscamento (twist) e a retorcedura (writhe) son interconvertibles. O "superenrolamento" é unha propiedade matemática abstracta que é a suma do enroscamento e a retorcedura. O enroscamento (twist) é o número de xiros da hélice no segmento de ADN e a retorcedura (writhe) é o número de veces que a dobre hélice cruza sobre si mesma (estes son o número de superenrolamentos individuais).
Os enroscamentos helicoidais extra son positivos e orixinan un superenrolamento positivo, mentres que o enroscamento causa un superenrolamento negativo. Moitos encimas topoisomerases perciben o superenrolamento e poden xeralos ou disipalos a medida que fan cambiar a topoloxía do ADN. O ADN da maioría dos organismos etá superenrolado negativamente.
Debido en parte a que os cromosomas poden ser moi grandes, os segmentos que están no medio poden actuar como se os seus extremos estivesen ancorados. Como resultado, poden ser incapaces de distribuír o exceso de enroscamento ao resto do cromosoma ou de absorber o enroscamento para recuperarse do subenrolamento, é dicir, os segmentos poden ser superenrolados. En resposta ao superenrolamento, poden asumir unha certa cantidade de retorcedura (writhe), igual que se os seus extremos estivesen unidos.
O ADN superenrolado forma dúas estruturas; un plectonema ou un toroide, ou unha combinación de ambos. Unha molécula de ADN superenrolada negativamente producirá ou ben unha hélice levoxira cun inicio, que é o toroide, ou unha hélice dextroxira con dous inicios con buicles terminais, que é o plectonema. Os plectonemas son máis comúns na natureza, e esta é a forma que presentan a maioría dos plásmidos bacterianos. En moléculas máis grandes é común que se formen estruturas híbridas: un bucle sobre un toroide pode estenderse orixinando un plectonema. Se todos os bucles dun toroide se estenden entón formarase un punto de ramificación na estrutura plectonémica. O superenrolamento do ADN na natureza
O superenrolamento do ADN é importante para o empaquetamento do ADN nas células. Como a lonxitude do ADN pode ser miles de veces maior que a da célula, o empaquetamento deste material xenético na célula ou núcleo (en eucariotas) é unha tarefa difícil. O superenrolamento do ADN reduce o espazo ocupado e permite que se poida empaquetar moito máis ADN. En procariotas, o superenrolamento plectonémico é o predominante, debido a que o cromosoma é circular e á relativamente pequena cantidade de material xenético. En eucariotas, o superenrolamento do ADN pode darse en moitos niveis de superenrolamentos plectonémicos ou en solenoide, pero é o superenrolamento en solenoidal o máis efectivo para compactar o ADN. O superenrolamento solenoidal conséguese grazas ás proteínas histonas, formándose a fibra cromatínica de 10 nm de diámetro. Esta fibra é despois enrolada nunha fibra de 30 nm, que despois se enrola sobre si mesma numerosas veces máis, orixinando os cromosomas.
O empaquetamento do ADN increméntase moito durante os eventos da divisiòn nuclear como os da mitose ou meiose, nos que o ADN debe ser compactado e segregado nas células fillas. As condensinas e cohesinas son proteínas de Mantemento Estrutural do Cromosoma (SMC) que axudan á condensación das cromátides irmás e á unicón do centrómero das cromátides irmás. Estas proteínas inducen superenrolamentos positivos.
O superenrolamento tamén é necesario durante a síntese de ADN e ARN. Como o ADN debe ser desenrolado para que actúen as ADN/ARN polimerases, orixínanse superenrolamentos en certas zonas. A rexión situada por diante do complecxo da polimerase vai ser desenrolada; esta tensión é compensada coa formación de seperenrolamentos positivos na zona que está diante do complexo. Na parte que queda detrás do complexo, o ADN é re-enlorado e alí haberá un superenrolamento negativo local compensatorio. As topoisomerases como a ADN xirase (topoisomerase de tipo II) xogan un papel en aliviar parte da tensión durante a síntese de ADN e ARN. Efectos sobre o coeficiente de sedimentación
As propiedades topolóxicas do ADN circular son complexas, e só se presentará aquí unha breve introdución. Nos textos estándar estas propiedades explícanse invariablemente en termos do modelo helicoidal do ADN, porque a maioría dos científicos cren que non é posible outra estrutura.
Cando o coeficiente de sedimentación, s, do ADN circular é avaliado ao longo dun amplo intervalo de pH, obsérvanse as curvas da figura.
Na figura móstranse tres curvas, que representan tres especies de ADN. De arriba a abaixo son: "Forma IV" (verde), "Forma I" (azul) e "Forma II" (vernella).
"Forma I" (curva azul) é a nomenclatura internacional usada para a forma nativa do dúplex de ADN circular, tal como se extrae de virus e plásmidos intracelulares. A Forma I está pechada covalentemente, e calquera enrolamento plectonémico que se poida representar debe estar pechado.
Se se fan un ou máis pequenos cortes ou amosegas nunha febra da Forma I, faise posible a libre rotación dunha das febras con respecto á outra, e aparece a Forma II (curva vermella).
A Forma IV (curva verde) é o produto da desnaturalización por álcalis da Forma I. A súa estrutura é descoñecida, pero sábese que é sempre un dúplex e é extremadamente densa.
Entre o pH 7 e o 11, 5, o coeficiente de sedimentación s da Forma I é constante. Despois diminúe e a un pH xusto inferior a 12, chega a un mínimo. Con incrementos maiores de pH, s volve ao seu valor anterior. Non se para nese valor, senón que continúa aumentando sostidamente. A pH 13, o valor de s chegou a case 50, dous ou tres veces o seu valor a pH 7, o que indica que ten unha estrutura extremadamente compacta.
Se entón se baixa o pH, o valor de s non se recupera, senón que se observa o comportamento representado pola curva verde. O ADN está agora no estado coñecido como Forma IV, permanece nun estado moi denso, mesmo se o pH volve ao estado orixinal dentro do rango fisiolóxico. Como xa se dixo, a estrutura da Forma IV é case totalmente descoñecida, e actualmente non hai unha explicación aceptada para a súa extraordinaria densidade. Case o único que se sabe da súa estrutura terciaria é que é un dúplex, pero non ten enlaces de hidróxeno entre as bases.
Considérase que estes comportamentos das Formas I e IV se deben ás peculiares propiedades do ADN dúplex pechado covalentemente nun círculo bicatenario. Se a integridade covalente se altera mesmo por unha única amosega nunha das febras, todo este comportamento topolóxico cesa, e aparece na gráfica a curva da Forma II (Δ). Na Forma II as alteracións do pH teñen moi pouco efecto sobre s. As súas propiedades físicas son, en xeral, idénticas ás do ADN linear. A pH 13, as febras da Forma II simplemente se separan, igual que fan as febras do ADN linear. As febras monocatenarias separadas teñen valores de s lixeiramente diferentes, pero non mostran cambios significativos en s con ulteriores incrementos de pH.
Unha completa explicación destes datos queda fóra do ámbito deste artigo, pero, en resumo, as alteracións en s prodúcense debido a cambios na superhelicoidalidade do ADN circular. Estes cambios no carácter superhelicoidal están esquematicamente ilustrados polas catro imaxes superpostas na figura de arriba.
Sen entrarmos en detalles, pode dicirse simplemente que as alteracións de s vistas na curva de titración de pH de arriba se cre xeneralizadamente que se deben a cambios no enrolamento da superhélice do ADN en condicións de incremento do pH. Ata o pH 11, 5, o pretendido "subenrolamento" produce un superenroscamento (supertwist) dextroxiro ("negativo"). Pero a medida que se incrementa o pH, e a estrutura helicoidal secundaria empeza a desnaturalizarse e desenrolarse, o cromosoma xa non establece o enrolamento de Watson e Crick completo, senón que cada vez máis tende a estar "subenrolado". Como hai cada vez menos tensión que deba ser aliviada polo enrolamento superhelicoidal, as superhélices desaparecen progresivamente conforme o pH aumenta. A un pH xusto por debaixo de 12, todos os incentivos para formar unha superhélice desaparecen, e o cromosoma aparecerá como un círculo despregado relaxado.
A pHs aínda maiores, o cromosoma, que está agora desnaturalizado, ten tendencia a desenrolarse completamente, o cal non pode facer (porque Lk éstá pechado covalentemente). Nestas condicións, o que foi anteriormente tratado como un "subenrolamento" agora en realidade é un "sobreenrolamento". Unha vez máis hai tensión, e de novo esta é aliviada (polo menos en parte) pola superhelicoidalidade, pero esta vez na dirección contraria (é dicir, levoxira ou positiva"). Cada superenroscamento (supertwist) terciario levoxiro vai eliminando un (agora non favorable) enroscamento (twist) secundario dextroxino de Watson e Crick.
A titración acaba a pH 13, cando aparece a Forma IV.