6. Nucleo della cellula

RNA.

Ha cinque componenti strutturali:

- Involucro nucleare a doppia membrana;

- Nucleoplasma;

- Uno o più nucleoli;

- Matrice nucleare;

- Fibre contenenti DNA.

L’involucro nucleare è costituito da una doppia membrana, una interna e una

esterna. La membrana esterna è in diretta continuità con il RER (partecipa alla

sua attività biosintetica), e sulla sua superfice esterna sono presenti ribosomi.

La membrana interna delimita il nucleo e prende contatto con quella esterna

fondendosi con essa in punti circoscritti, detti pori nucleari, in cui è presente

una struttura denominata complesso del poro. Un poro nucleare è costituito da

circa 100 diversi polipeptidi e contiene 8 canali acquosi di diffusione da 9 nm e

un canale per il trasporto attivo da 26 nm. Il numero dei pori varia in base

all’attività di trascrizione. La membrana è inoltre in contatto diretto con una

struttura formata da elementi del citoscheletro, filamenti intermedi denominati

lamine, che a loro volta, formano una struttura complessa fibro-reticolare,

chiamata lamina nucleare. La lamina nucleare è una sottile e densa rete

formata dalla polimerizzazione di fibre intermedie chiamate lamine A, B, C. La

lamina nucleare serve da supporto per l’involucro nucleare e da ancoraggio per

la cromatina, ovvero il complesso DNA-proteine presente durante l’interfase, ed

è in parte responsabile del mantenimento della forma del nucleo durante

l’interfase. La funzione delle membrane è quella di proteggere i cromosomi e le

molecole di RNA non mature. Le lamelle anulate sono una classe tipica di

membrane citoplasmatiche e si trovano in alcune cellule embrionali animali,

tumorali, negli spermatociti e negli ovociti.

Il traffico tra nucleo e citoplasma passa obbligatoriamente attraverso il sistema

dei pori nucleari, che rappresentano un filtro selettivo qualitativo e

dimensionale. Dal nucleo verso il citoplasma escono mRNA, subunità

ribosomiali, tRNA, microRNA, che hanno funzioni nella sintesi proteica nel

citoplasma. Queste strutture portano un particolare segnale necessario per

accedere e attraversare il poro, il traffico è aiutato e integrato da particolari

1

CITOLOGIA E ISTOLOGIA 23 ottobre

proteine veicolanti dette esportine. Dall’altro, proteine quali istoni, enzimi e

inoltre nucleotidi e ATP si muovono dal citoplasma al nucleo. per facilitare

l’entrata intervengono le importine.

Il nucleoplasma è la matrice amorfa, fluida, che contiene i componenti solubili

del nucleo. Il nucleoscheletro è una rete fibrosa insolubile che mantiene la

forma al nucleo. Ancora le fibre di cromatina a cui fornisce supporto. È

importante nella replicazione e nella trascrizione del DNA e nell’indirizzamento

degli mRNA.

LA CROMATINA

Negli eucarioti il DNA è quasi esclusivamente localizzato nelle fibre di

cromatina estese e disperse. La cromatina è costituita da DNA e da proteine. Le

molecole di DNA sono altamente stabili. La quantità di DNA in ogni nucleo è

caratteristica della specie. Con la spiralizzazione dei cromosomi le molecole

lunghe contenute in un volume così piccolo riescono a separarsi correttamente.

Le proteine associate al DNA sono dette istoni. La cromatina contiene una

massa circa uguale di DNA e istoni.

IMPACCHETTAMENTO DEL DNA

“filo di perle” unità cilindriche di 10 nm di Ø e lunghe 6nm connesse da tratti

linker spessi 2nm: nucleosomi composti da 146 cb di DNA avvolto attorno ad un

ottamero istonico (2 molecole degli istoni H2A, H2B, H3, H4). Questo si

linker

continua con un DNA costituito da 54 cb che lo collega al nucleosoma

successivo. I nucleosomi sono il primo passo dell’impacchettamento del DNA.

- L’istone H1 stabilizza l’avvolgimento della fibra a 10 nm che va incontro

ad una struttura di livello superiore di organizzazione del Ø di 30 nm

- Modello a solenoide: struttura elicoidale

- Modello a zig-zag: i nucleosomi si sovrappongono come due pile di

monete.

Il livello successivo è dato dall’ulteriore ripiegamento della fibra a 30nm a

formare dei domini ad ansa (lunghe fino a 100.000 cb) Ø 300 nm. La struttura è

stabilizzata dall’ancoraggio allo scaffold, a cui sono legate le lunghe anse.

Quando le cellule di preparano alla mitosi le anse si compattano ulteriormente

nei cromosomi mitotici, ultimo stadio di compattamento. Meccanismo poco

conosciuto in cui sono coinvolte le proteine coesine e condesine. In interfase

tutte la cromatina è dispersa fuorché il 10% che rimane condensato: è

l’eterocromatina con attività trascrizionale ridotta o nulla che si contrappone

alla eucromatina. L’eterocromatina può essere costitutiva facoltativa.

REPLICAZIONE DEL DNA

Prima della divisione cellulare, al fine di avere due cellule con contenuto

identico di DNA, la cellula replica il suo genoma. La replicazione è detta

semiconservativa perché la doppia elica che ne risulta è formata da un

filamento sarà formata da filamento nuovo e da uno vecchio. Il processo è

simile in procarioti e eucarioti.

- Replicazione dei procarioti: c’è un unico replicone. È bidirezionale.

Replicazione theta 0: non avviene solo nei batteri ma anche nei

mitocondri, nei cloroplasti e nei virus. Topoisomerasi II: la DNA girasi ATP

dipendente.

- Replicazione negli eucarioti: la replicazione delle molecole lineari di DNA

ha molteplici repliconi. Al centro del replicone ci sono sequenze di

2

CITOLOGIA E ISTOLOGIA 23 ottobre

replicazione autonoma capaci di promuovere la replicazione. Quando si

forma il complesso di pre-inizio il DNA si dice autorizzato alla

replicazione. I repliconi non sono attivati tutti contemporaneamente. Si

notano infatti delle zone puntiformi in cui vi è replicazione, dette foci, che

si spostano nel tempo a partire dalla cromatina meno condensata verso

quella più condensata. La doppia elica deve essere aperta, con

allontanamento dei due filamenti complementari. L’apertura comporta la

formazione della forcella di replicazione, in cui ognuno dei filamenti funge

da stampo per il nuovo DNA. L’appaiamento selettivo di basi azotate è un

sistema semplice non solo per l replicazione ma anche per la

relativamente scarsa probabilità di avere errori durante la nuova sintesi.

L’inizio vero e proprio della replicazione avviene a livello di sequenze

specifiche dette siti di origine della replicazione. In queste zone alcune

proteine riconoscono il sito e attivano un enzima (elicasi) che apre la

doppia elica e crea la forcella replicativa. Intervengono allora due DNA

polimerasi, gli enzimi responsabili della sintesi dei nuovi filamenti di DNA.

In presenza di una piccola quantità di DNA stampo, le DNA polimerasi

catalizzano l’allungamento dei filamenti. L’unione dei nucleotidi è

mediata da due ioni Mg. La DNA polimerasi sintetizza il nuovo filamento

solo in direzione 5’3’. La sintesi del DNA, ad ogni forcella di replicazione

è continua nella direzione del movimento della forcella, ma discontinua

nella direzione opposta (frammenti di Okazaki). I frammenti di Okazaki

sono rapidamente legati da una DNA ligasi. Vi sono diverse DNA

polimerasi:

5 nei procarioti: le più importanti sono la I e la III;

o E negli eucarioti: le più importanti sono l’�, la � e l’�.

o

La replicazione è detta simidiscontinua. La DNA polimerasi � legge in direzione

3’5’ e forma un filamento continuo complementare a quello definito filamento

principale, e necessita per il suo avvio di un primer di RNA che viene

sintetizzato da una RNA primasi. Il filamento secondario è invece copiato dalla

DNA polimerasi ⍺ che pure legge in direzione 3’5’ ma che, dopo il primer di

RNA, sintetizza una serie di corti di DNA di un migliaio di nucleotidi (frammenti

di Okazaki) che verranno saldati tra loro da enzimi detti ligasi (vedi sopra). Si

compie la duplicazione del filamento. Le DNA polimerasi hanno attività

esonucleasica: degradano gli acidi nucleici a partire da un’estremità. L’attività

esonucleasica 3’5’ stacca i singoli nucleotidi. L’attività esonucleasica 5’3’

stacca gli inneschi di RNA. Le endonucleasi tagliano il DNA al suo interno.

Nei procarioti, si ha un DNA circolare quindi il filamento guida una volta

staccato l’ultimo primer di quello in ritardo trova l’estremità giusta per finire il

circolo e il cerchio si chiude. Negli eucarioti il DNA è lineare allora l’ultimo

pezzettino si stacca e rimane l’estremità 5’, che non può attaccarsi. Rimane

quindi un pezzettino che non si può riformare, dunque il materiale genetico si

accorcia. Normalmente la parte finale dei cromosomi è ripetuta in modo da non

perdere la capacità di codificare. Ma a continuare si rischia l’erosione: in questo

caso la cellula non si divide più e viene dichiarata senescente e poi muore.

La telomerasi ovvia questo problema, enzima (proteine e acido nucleico)

presente in alcune cellule (ad es. le tumorali). Questa aggiunge tante sequenze

geniche tutte uguali alla fine del filamento parentale rispettando la

complementarietà delle basi, quindi la cellula non ha mai il segnale di stop e

diventa immortale.

3