Biologia applicata

IL DNA

Il nucleo contiene il materiale genetico(DNA), complessato con proteine specifiche(istoni) e

ripiegato a costruire la cromatina. Prima dell’inizio della divisione cellulare la cromatina si addensa

portando alla formazione visibile dei cromosomi. Il cromosoma è costituito da eucromatina,

situata nel nucleoplasma(quella meno condensata ed è la cromatina definita trascrizionalmente

attiva) e da eterocromatina, situata vicino alla zona perinucleare(un po’ più scura, è più compatta

ed è definita cromatina trascrizionalmente inattiva—> Non trascrive e non può essere utilizzata

per la sintesi proteica, in quanto non codifica).

Come sappiamo la doppia elica del DNA si avvolge sempre di più fino alla formazione dei

cromosomi—> I nucleosomi(diametro di 10 nm), ossia il primo livello di organizzazione della

cromatina, sono formati dalla doppia elica del DNA avvolta ad otto proteine, chiamate istoni. E la

cromatina può essere ulteriormente condensata da un avvolgimento in fibre di 30 nm, poi i

nucleosomi pian piano si avvolgono sempre di più fino ad arrivare alla formazione della fibra di

cromatina con un diametro superiore e fino a creare il cromosoma vero e proprio(1400 nm).

Inoltre, esistono altre proteine dette non istoniche che si legano a delle regioni situate tra un

nucleosoma e l’altro.

Nella fase di trascrizione ciò che verrà trascritta è soltanto l’eucromatina, in quanto essa

costituisce il 90% di cromatina presente sul cromosoma, mentre l’eterocromatina solo il 10%. Il

10% dell’eucromatina, presente nel 90%, lo ritroviamo sottoforma di fibre di 10 nm, mentre il

restante 80% lo ritroviamo sottoforma di fibre di 30 nm(più è spessa la fibra più è difficile la

trascrizione, la quale per avvenire la fibra si deve despiralizzare). Invece, nel caso

dell’eterocromatina essa è trascrizionalmente inattiva perché si presenta in uno stato molto

condensato.

Un cromosoma, tra l’altro, è composto da un braccio corto e uno lungo, da eterocromatina ed

eucromatina, dai centromeri(sito di ancoraggio del fuso mitotico) e dai cosiddetti telomeri, i quali

si trovano all’estremità dei cromosomi e che entrano in gioco in occasione dell’apoptosi(infatti

l’enzima telomerasi consente di evitare l’apoptosi, ossia la morte cellulare programmata, evitando

il consumo di telomeri e costruendone dei nuovi). struttura del DNA,

Watson e Crick sono coloro che hanno scoperto la composta da due catene

polinucleotidiche antiparallele(l’orientamento dei due filamenti è da 3’ verso 5’ e viceversa) e

avvolte in una struttura a spirale. I monomeri che compongono il DNA sono i nucleotidi, costituiti

da uno zucchero pentoso(5 atomi di carbonio), da un gruppo fosfato e da una base

azotata(adenina, citosina, guanina e timina). I legami a idrogeno tra citosina e guanina(tre legami)

sono molto più forti rispetto a quelli tra adenina e timina(due legami). Quando avviene la

trascrizione esiste un primer che riconosce l’inizio di un gene che deve essere trascritto e si lega ad

esso, ma quando si producono questi primer si cerca di avere più sequenze adenina-timina perché

altrimenti il legame sarebbe così forte che il primer non avrebbe il tempo necessario per attaccarsi

e staccarsi.

Il giro completo dell’elica é costituito da un solco maggiore intervallato da un solco minore.

Ogni base azotata è legata covalentemente con lo zucchero pentoso adiacente. L’appaiamento

delle basi si verifica sempre lungo l’asse centrale dell’elica. La citosina e la timina appartengono

alla classe delle primidine, composte da un singolo anello eterociclico a sei atomi, mentre

l’adenina e la guanina appartengono alla classe delle purine, costituite da due anelli etero ciclici, di

cui uno a sei atomi e l’altro a cinque atomi—> la quantità di purine è sempre uguale a quella delle

primidine(regola di Chargaff).

Il cariotipo è una sorta di fotografia in cui i cromosomi di una cellula vengono ordinati in base alla

forma e alla dimensione. Un cariotipo è formato da 22 coppie di cromosomi

omologhi(autosomi=origine diversa) e una coppia di cromosomi sessuali(eterosomi).

Euploide= numero normale di cromosomi.

Diploide= cellule somatiche(46 cromosomi).

Aploide= cellule germinali(23 cromosomi).

Il DNA dei procarioti, invece, è contenuto nel nucleoide ed è generalmente a forma di anello e

spiralizzato(prende il nome di DNA circolare).

I procarioti, però, possono avere elementi di DNA extra cromosomico, detti plasmidi, che si

replicano in maniera indipendente, sono solitamente circolari e possono donare capacità

aggiuntive, come la resistenza agli antibiotici.

Ovviamente l’organizzazione del genoma di un procarioti è molto più semplice rispetto a quella di

un genoma eucariotico. Gran parte della sequenza genomica codifica per geni, ma solo l’11% del

genoma dell’Escherichia coli è non-codificante.

Pertanto, l’organizzazione compatta potrebbe essere vantaggiosa per i procarioti permettendo

una replicazione più veloce.

Il ciclo cellulare

La divisione cellulare è quel processo in cui si parte da una cellula madre, che si divide danto

origine a due cellule figlie e tale meccanismo non esistesse l’organismo non sarebbe in grado di

crescere e di riprodursi.

I batteri(procarioti), a differenza degli eucarioti, si dividono per scissione binaria, in cui la cellula

madre tende ad accrescersi, duplica il DNA batterico e poi si divide in due cellule figlie identiche.

Durante tale processo avviene sia la scissione del citoplasma sia del materiale genetico batterico.

Tale processo comprende 4 eventi in particolare—> Innanzitutto si verificano dei segnali

riproduttivi, cioè si evidenzia un punto specifico, chiamato “ori”(origine della duplicazione), che si

denatura e, grazie a questo, avviene la formazione delle due forcelle di duplicazione.

Successivamente il DNA viene duplicato, la cellula si accresce, il DNA dei due cromosomi figli

tendono a separarsi(si portano alle parti opposte) e, infine, avviene la citodieresi, ossia il processo

attraverso il quale avviene la divisione netta della cellula madre in due cellule figlie. Inoltre, la

divisione cellulare nei batteri può essere un processo molto rapido e durare meno di 30 minuti.

Per quanto riguarda la cellula eucariotica, si parla del “ciclo cellulare” perché esistono delle fasi

cicliche che si ripetono e che rimangono invariate—> Interfase, che si suddivide in G1, fase S e G2,

e mitosi(fase M). Durante questo ciclo si verificano una serie di modificazioni biochimiche che

preparano la cellula alla divisione e, inoltre, la cellula deve trovarsi in condizioni idonee per potersi

dividere.

Innanzitutto nel ciclo cellulare abbiamo una cellula madre che si divide in due cellule figlie

identiche, però il ciclo riproduttivo può essere più lento o più rapido a differenza del tipo di cellule

e in base alla funzione che esse svolgono. Per esempio la cellula epiteliale(soggetta a parecchi

stress), la cellula epatica(si riproduce una volta all’anno)… oppure ci sono cellule, come i lieviti, che

si duplicano ogni 90-120 minuti. Per svolgere esperimenti vengono spesso usati i fibroblasti, che si

riproducono molto velocemente(nell’arco di 24 h). Invece, nelle cellule umane la fase G1 dura 9-11

ore, la fase G2 richiede circa 4 ore, la replicazione del DNA necessita di 8-10 ore(fase S) e la fase M

dura mediamente un’ora.

Nella fase G1 la cellula si deve accrescere e deve duplicare gli organelli necessari alle cellule figlie,

invece nella fase S si verifica la duplicazione del DNA. Dopo la duplicazione del DNA, avviene la

fase G2, in cui la cellula si prepara alla mitosi, e infine avviene la mitosi(cellule somatiche), ossia la

fase M, che si divide a sua volta in delle sottofasi. Alla fine della mitosi avviene la citochinesi,

ovvero la divisione netta della cellula madre in due cellule figlie.

Le fasi della mitosi

Come sappiamo, alla fine della sottofase S il DNA è duplicato e all’inizio della fase M. si condensa a

formare i cromosomi, ciascuno composto da due cromatidi fratelli. La mitosi si suddivide in

profase, prometafase, metafase, anafase e telofase, e infine avviene il processo di citodieresi.

Durante la profase i cromosomi si spiralizzano e ciascuno di essi appare formato da due cromatidi

fratelli, uniti a livello del centromero. Nella regione del centromero si assemblano due strutture

proteiche, dette cinetócori.

Durante questa fase scompare il nucleolo e compare il fuso mitotico, che ha la funzione di guidare

i movimenti dei cromosomi ed è costituito da microtubuli che si originano da due organuli

chiamati centrosomi.

Durante la prometafase l’involucro nucleare scompare completamente e i due cromatidi fratelli si

attaccano al fuso mitotico. Alla fine di questa fase i cromatidi fratelli iniziano a spostarsi, ma sono

ancora uniti a livello del centromero.

Nella metafase i cromosomi raggiungono il centro della cellula e i centromeri si allineano lungo il

piano equatoriale formando la cosiddetta piastra metafasica o equatoriale.

Nell’anafase i due cromatidi fratelli si separano, spostandosi verso le estremità opposte del fuso

mitotico.

Durante la telofase i cromosomi si despiralizzano e ricompare la cromatina e, inoltre, anche

l’involucro nucleare e il nucleolo si aggregano.

Infine avviene la citodieresi, ossia quel processo attraverso il quale i due nuclei figli si separano in

due cellule distinte, richiedendo anche la divisione del citoplasma.

Bisogna ricordare che la mitosi non comporta alcuna variazione del corredo cromosomico, in

quanto nella separazione mantiene l’assetto cromosomico di 46 cromosomi grazie alla

duplicazione del materiale genetico.

Inoltre, esistono diverse sostanze e complessi proteici che controllano e regolano il passaggio da

una fase all’altra—> Nel ciclo cellulare ci sono dei punti di controllo(punto di controllo in G1, in G2

e metafasico), i quali regolano la progressione da una fase all’altra e impediscono di passare

velocemente da una fase all’altra nel caso in cui non si siano verificate tutte quelle reazioni

biochimiche necessarie.

Abbiamo il punto di controllo in G1, che controlla che il DNA sia integro, che vi siano gli elementi

nutritivi necessari per la crescita cellulare è che nell’ambiente extracellulare vi siano i fattori di

crescita idonei. Quindi, la cellula deve rispondere ad alcune domande—> La cellula è abbastanza

grande? L’ambiente è favorevole? Il DNA è integro? Cioè la cellula deve avere questi requisiti,

ovvero il DNA della cellula non deve essere danneggiato perché altrimenti la cellula non si potrà