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SUPERENROLLAMIENTO

El DNA está enrollado formando una doble hélice, en la cual ambas cadenas se enrollan alrededor de un eje. El enrollamiento del eje

sobre sí mismo produce el superenrollamiento. Este proceso del DNA es generalmente una manifestación de una tensión

estructural. Cuando no hay enrollamiento neto del eje del DNA sobre sí mismo, se dice que el DNA se encuentra relajado.

El superenrollamiento se produce cuando el DNA está expuesto a algún tipo de tensión estructural. En la mayoría de los casos, la

tensión es el resultado de un desenrollamiento de la doble hélice en el DNA circular cerrado. Dicho de otro modo, el DNA tiene

“menos” vueltas de lo que cabría esperar para la estructura en forma B.

NUMERO DE ENLACE (LK)

El número de enlace o linking number (Lk) es una propiedad topológica, pues no

varía como consecuencia de la curvatura o la deformación del DNA de doble

cadena, siempre que las dos cadenas permanezcan intactas. Se lo define como el

número de veces que dos cadenas están entrelazadas. El número de enlace de un

DNA circular cerrado es siempre un número entero. Por convención, si los enlaces

entre las cadenas están dados de tal forma que las dos hebras de DNA se hallan

entrelazadas siguiendo una hélice dextrógira, el Lk es positivo (+). Por el contrario,

el Lk es negativo (-) para el entrelazamiento en hélice levógira.

Para una molécula relajada, el número de enlace es simplemente el número de pb

dividido por 10.5. Para que una molécula de DNA circular tenga una propiedad

topológica, no debe existir ningún corte en ninguna de las dos hebras. Si hubiera un

corte en cualquiera de las dos hebras, no existe enlace topológico y el Lk no está

definido.

Al número de enlace del DNA relajado se lo llama número de enlace de referencia (Lko). Si se eliminan o agregan vueltas de una

molécula el Lk varía, según:

A menudo resulta conveniente expresar la variación en Lk en función de una magnitud independiente de la longitud de la molécula

de DNA, la cual se define como diferencia de enlace específica o densidad superhelicoidal (). Está es una medida del número de

vueltas eliminadas o agregadas con respecto a las presentes en el DNA relajado, que se calcula como:

El signo negativo de indica que la variación de Lk es debida a un desenrollamiento del DNA.

El superenrollamiento inducido por el desenrollamiento se define, por tanto, como un

superenrollamiento negativo, es decir, está subenrollado, favoreciendo el desapareamiento de la

doble hélice.

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Por el contrario, el DNA puede ser sobrenrollado y entonces el superenrollamiento resultante se define como superenrollamiento

positivo.

El signo del superenrollamiento depende en gran medida del aumento o la disminución del Lk en relación con el B-DNA relajado.

Dos formas de DNA circular que difieran únicamente en una propiedad topológica como el Lk se conocen como topoisómeros. El

número de enlace puede resolverse en dos componentes estructurales denominados: retorcimiento (Wr) y torsión (Tw) que son

propiedades geométricas, pero no topológicas. Pueden definirse como:

Retorcimiento (Wr): medida del enrollamiento del eje de la hélice o número de veces que el dúplex se entrecruza consigo

mismo.

Torsión (Tw): depende de la torsión local, es decir, del ángulo entre los pares de bases adyacentes, y puede definirse como

el número de vueltas de hélice.

Cuando se produce un cambio en el número de enlace, la tensión resultante es compensada en parte por el retorcimiento

(superenrollamiento) y, en parte, por cambios en la torsión, según la ecuación:

En la molécula relajada (a), la tensión producida por la torsión de la cinta

(desenrollamiento del DNA) puede manifestarse como un cambio en el retorcimiento

(b) o en la torsión (c)

CAMBIOS EN EL NÚMERO DE ENLACE CATALIZADOS POR LAS TOPOISOMERASAS

El superenrollamiento del DNA es un proceso regulado de forma precisa que tiene influencia sobre muchos aspectos del mecanismo

del DNA. Todas las células tienen enzimas cuya función es desenrollar y/o relajar el DNA. Las enzimas que aumentan o disminuyen el

grado de desenrollamiento del DNA se denominan topoisomerasas, y su efecto es la modificación del número de enlace. Hay dos

tipos de topoisomerasa:

De tipo I actúan produciendo un corte transitorio en una de las hebras del DNA, haciendo girar uno de los extremos alrededor de la

hebra intacta y volviendo a unir los extremos. Cambian el Lk en incrementos de 1.

De tipo II cortan ambas hebras y cambiar el Lk en incrementos de 2.

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EL MECANISMO DE ACCIÓN DE LA TOPOISOMERASA TIPO I ES:

Tipo I de E.Coli: Actúa relajando el DNA solo por

superenrollamiento negativo, y por lo tanto aumenta el

número de enlace en 1.

Tipo I de eucariotas: Actúa relajando por

superenrollamiento positivo o negativo, por lo que

cambia el número de enlace en +1 y -1.

EL MECANISMO DE ACCIÓN DE LA TOPOISOMERASA DE TIPO II ES:

Las moléculas circulares que usan topo II son:

En E.Coli: plasmidos y el cromosoma.

En eucariotas: DNA mitocondrial y dsDNA circular de

virus que las infecten.

En E.Coli la topoisomerasa II se conoce como DNA girasa, y es la encargada de

introducir superenrollamiento negativo, disminuyendo el Lk en un valor de 2,

utilizando ATP como fuente de energía. (También puede producir superenrollamiento

positivo). El mecanismo de acción de la misma responde al observado en la figura.

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La densidad superhelicoidal del DNA se mantiene mediante una regulación de las actividades netas de la topoisomerasa I y II. Los

efectos de estas enzimas pueden estudiarse mediante electroforesis en gel de agarosa. Esta técnica permite separar topoisómeros

cuyos valores de Lk difieran un una sola unidad.

En este experimento, todas las moléculas de DNA tienen el mismo número de pb, pero diferente grado de superenrollamiento. Las moléculas de DNA superenrolladas son más compactas que las relajadas y, por lo tanto, migran más rápidamente en la electroforesis.

En el carril 1, el DNA altamente enrollado migra como una banda única.

En los carriles 2 y 3 se ilustra el efecto del tratamiento del DNA superenrollado con topoisomerasa de tipo I; el DNA del carril 3 se trató durante más tiempo que el del carril 2. Cada una de las bandas de la región indicada por el corchete del carril 3 tienen un Lk diferente.

COMPACTACIÓN DEL DNA

Las moléculas de DNA superenrollado son uniformes en muchos sentidos. En una molécula con superenrollamiento negativo, las

vueltas superhelicoidales son hacia la derecha. El DNA tiende a adoptar una forma extendida y estrecha en lugar de compactar y

suele presentar ramificaciones múltiples. Este tipo de superenrollamiento se denomina plectonémico.

Un DNA desenrollado puede adoptar una segunda forma de superenrollamiento, denominada solenoidal. Este incorpora vueltas

hacia la izquierda. La estructura final alcanzada es similar al del cable telefónico.

El superenrollamiento plectonémico y el solenoidal pueden interconvertirse con facilidad. La primera es más estable en

solución, pero la segunda puede estabilizarse mediante la unión a proteínas y es la forma encontrada en la cromatina,

dado que da lugar a un grado de compactación mayor.

CROMATINA Y ESTRUCTURA NUCLEAR DE EUCARIOTAS

El término cromosoma se refiere a la molécula de ácido nucleico que actúa como depositario de la información genética en un virus,

bacteria, célula eucariota y orgánulo. También se refiere a los cuerpos densamente coloreados que se observan en el microscopio

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óptico en los núcleos de las células eucariotas teñidas. Los cromosomas eucarióticos aparecen como cuerpos definidos en el núcleo,

justo antes y durante la mitosis. En células eucariotas que no se hallan en proceso de división, el material cromosómico,

denominado cromatina, es amorfo y aparece disperso y desordenado en el núcleo. Cuando las células se preparan para dividirse, la

cromatina se condensa y se estructura en un conjunto de cromosomas bien definidos, cuto número es una característica de la

especie.

La cromatina está formada por fibras que contienen proteínas y DNA en cantidades iguales y una pequeña cantidad de RNA. El DNA

de a cromatina se halla íntimamente asociado con proteínas llamadas histonas, que empaquetan y ordenan al DNA en unidades

estructurales denominadas nucleosomas. La cromatina también cuenta con muchas proteínas no histonas, algunas de las cuales

regulan la expresión de genes específicos. El primer nivel de empaquetamiento del DNA eucariótico es el nucleosoma, a

continuación el DNA se organiza en estructuras de orden superior que dan lugar al cromosoma visible en el microscopio óptico.

Los nucleosomas consisten en complejos de histonas unidos a DNA.

La cromatina se puede encontrar como heterocromatina o como eucromatina, y a su vez, esta se puede clasificar en activa e

inactiva según:

La cromatina transcurre de manera continua entre algunas de estas dos formas, lo cual implica que esos estados representan

diferentes grados de condensación del material genético para el uso del mismo. Es decir, el material genético se organiza de modo

que permita mantener estados alternativos en la cromatina.

HISTONAS

Estas son pequeñas proteínas especificas de unión al DNA que están presentes en la cromatina de todas las células eucariotas,

tienen masas moleculares relativas que varían de 11.000 a 21.000, y son muy ricas en los aminoácidos básicos arginina y lisina, es

decir que están cargadas positivamente lo que las ayuda a interaccionar con el DNA de carga negativa. Hay cinco clases principales

de histonas:

Cromatina

Eucromatina: Es la forma más activa y se encuentra en un menor grado de

condensación, contiene los genes activos.

Activa: forma menos condensada (zona de metabolismo activo) -

10% genoma

Inactiva: estado intermedio entre eucromatina activa y

heterocromatina - 80% del genoma

Heterocromatina: forma más condensada, totalmente inactiva. El 10% del

genoma se encuentra así y no contiene genes.

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NO HISTONAS

Estas son las proteínas que se unen al DNA encargadas del control de la expresión génica y de las estructuras de orden superior, de

modo que, por ejemplo, la polimerasa de RNA puede considerarse como una histona prominente. Las proteínas HMG (grupo de alta

movilidad) son un grupo de no histonas bien definido.

NUCLEOSOMAS

El complejo ADN-núcleo de histonas y el DNA de enlace forman el nucleosoma, la unidad fundamental de organización de la

cromatina, a partir de la cual se organiza el empaquetamiento de orden superior. Este corresponde a un disco o cilindro plano de

11nm de diámetro y 6nm de altura. Cada nucleosoma contiene ocho moléculas de histonas: dos copias de cada una de las histonas

medulares H2A, H2B, H3 y H4 (están presentes en cantidades equimolares). El espaciado de los nucleosomas a lo largo del DNA

define una unidad repetitiva de unos 200 pb, de los cuales 146 pb están fuertemente unidos alrededor del núcleo de histonas

formando un solenoide levógiro (aproximadamente 1,8 vueltas) y el resto sirve de elemento de enlace entre nucleosomas que

garantiza la flexibilidad de la fibra de cromatina. La histona H1 se une al DNA de enlace. A este tipo de organización se la llama:

“collar de cuencas”.

ÓRDENES SUPERIORES DE ORGANIZACIÓN

El enrollamiento del DNA alrededor del núcleo proteico del nucleosoma hace que la longitud del DNA se compacte unas siete veces

formando una fibra de 10nm. Pero el grado de compactación final en el cromosoma es de 10 mil veces, lo cual demuestra que

existen órdenes superiores de organización estructural. Los nucleosomas se organizan en fibra de 30nm gracias a la presencia de

una molécula histona H1 por cada nucleosoma. La organización en fibras de 30nm no abarca todo el cromosoma, sino que esta

interrumpida por regiones unidas a proteínas (no histonas) que se unen al DNA por especificidad de secuencia. La fibra de 30nm da

lugar a una compactación del DNA de 100 veces. Y comprende 6 nucleosomas por giro organizados en un solenoide, generalmente.

El siguiente nivel de plegamiento no se conoce con exactitud, pero parece que ciertas regiones del DNA se asocian con una “matriz”

nuclear. Las regiones asociadas a la matriz están separadas por bucles de DNA de unos 20.000 a 100.000 pb. El DNA de estos bucles

podría contener un conjunto de genes relacionados. La propia matriz puede contener varias proteínas, en particular grandes

cantidades de H1 (localizada en el interior de la fibra) y topoisomerasa II.

Finalmente el DNA sigue compactándose en diferentes niveles de organización no descriptos completamente hasta llegar al más

compacto: el estado de cromosoma. La estructura de los mismos varía probablemente de uno a otro, de una región a la siguiente

dentro del mismo y según el momento del ciclo celular.