Appunti di biologia

ORGANIZZAZIONE DEL DNA NELLA CELLULA

Negli eucarioti, il DNA si trova nel nucleo, che comunica con il citoplasma attraverso i

pori nucleari, mentre nei Procarioti esso si trova nel citoplasma. Nel nucleo il DNA si

trova in forma più complessa, legato alle proteine e formando macromolecola chiamata

cromatna. Il livello di condensazione però può essere diverso nei vari punti, se il DNA è

più o meno addensato:

 Eterocromatina. Comprende le regioni del nucleo in cui il DNA è molto condensato

con le proteine. Essa si divide a sua volta in:

 Costitutiva, se raccoglie in sé DNA sempre condensato

 Facoltativa, se raccoglie in sì DNA che può essere sia condensato che

non.

 Eucromatina. Comprende le regioni del nucleo in cui il DNA è meno condensato.

Le proteine che compongono la cromatina possono essere anch’esse di due tipi:

 Istoni, piccole proteine che si sono conservate nell’evoluzione e che hanno una

sequenza fondamentale. La loro sequenza è caratterizzata da un centro di

amminoacidi apolari e due code cariche positivamente, in particolare arginina e

lisina, con terminazione in una coda con il gruppo NH e nell’altra COOH. Nello

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spazio, gli istoni sono disposti in una sfera globosa apolare con due code cariche.

Esistono cinque tipi di istoni, H1, H2A, H2B, H3 e H4.

 Non Istoniche, che comprende tutte le altre proteine, con forma e funzione

diversificata tra loro.

In una cellula eucariote, il materiale genetico è tantissimo e se disteso raggiungerebbe

lunghezze di metri, anche se spessore di circa 2 nm,quindi la cellula deve riuscire e

racchiuderlo nel nucleo, aumentandone lo spessore e riducendone la lunghezza. Il

Nucleosoma è costituito da otto molecole di istoni uguali a due a due, cioè 2 molecole di

H2A, H2B, H3 e H4. Su queste strutture si avvolgono 146 coppie di basi, e così via per

tutta la lunghezza del tratto di DNA, unendo più nucleosomi tramite piccole porzioni di

DNA, creando la struttura a “Filo di Perle”, spesso 10 nm, visibile solo se trattato con

particolari sostanze. Il DNA si lega sugli istoni spontaneamente perché possiede due

code cariche positivamente e il DNA è carico negativamente. Questa struttura si

organizza a sua volta in strutture di ordine superiore, originando il solenoide. Non è

ancora chiaro come esso si strutturi ma ci sono delle ipotesi e l’unica cosa certa è la

presenza dell’istone H1. Il filo di perle si avvolge alla molecola di istone H1,

raggiungendo uno spessore di 30 nm e diminuendo la lunghezza a 0,3 mm. Entrano

quindi in gioco le proteine non istoniche, che creano lo Scaffold, cioè l’impalcatura, su cui

si avvolge il solenoide formando domini ad ansa. In alcuni punti il solenoide è attaccato

allo Scaffold,in altri no e forma una struttura larga circa 300 nm, sempre presente nel

nucleo. Quando però la cellula va incontro a divisione cellulare, la struttura si condensa

ulteriormente formando i bracci del cromosoma.

Per genoma si intende la quantità di DNA che contiene l’informazione per creare

l’organismo e farlo funzionare. Nel genoma sono presenti i geni, sequenze di DNA

necessarie per sintetizzare i polipeptidi. Una popolazione ha i soliti geni nei medesimi

loci, ma possono presentare sequenze diverse, che spiegano la tanta diversità che si

presenta in una popolazione. Questo perché i geni possono presentare una variante

allelica, ovvero una variazione di sequenza, che può produrre proteine sinonime, quando

esse presentano le solite caratteristiche e funzioni, o proteine non sinonime, quando

vengono prodotte proteine con caratteristiche e funzioni diverse. Per ogni gene, in una

cellula diploide emergono due copie, una proveniente dal genoma materno e una

proveniente dal genoma paterno. Le varianti alleliche possono essere diverse,e allora

l’individuo (per quel gene) si dice eterozigote, o uguali, e allora si dice omozigote.

L’insieme delle varianti alleliche di un individuo si chiama genotipo, mentre la loro

manifestazione si chiama Fenotipo. Talvolta a un genotipo corrisponde un fenotipo, altre

volte no, perché ci sono alcune varianti alleliche che si dicono dominanti su altre

recessive, quindi un genotipo eterozigote ha fenotipo uguale a quello omozigote

dominante. Il flusso dell’informazione genica è il fondamento della biologia. I geni

possono essere trascritti, cioè scritti nel solito linguaggio portando quindi le stesse

informazioni de l DNA. Essi poi escono dal nucleo nel citoplasma e il messaggio viene

tradotto, cioè interpretato in messaggio diverso, generando le proteine. Nei procarioti c’è

una differenza di spazio, quindi il meccanismo è molto semplificato. Negli Eucarioti,

invece, si sono alcuni geni che non codificano informazioni per le proteine e servono alla

creazione di molecole di RNA, come l’RNA ribosomiale e l’RNA transfert, che aiutano

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l’RNA messaggero a tradurre l’informazione in proteina. Il gene presenta un punto di

inizio, detto promotore, e un punto di fine, detto sequenza di terminazione della

trascrizione. Nei procarioti, tutto ciò che è compreso nel gene codifica e viene utilizzato,

mentre negli eucarioti si fa la distinzione tra esoni, cioè porzioni di geni che codificano

una proteina, e introni, porzioni che non codificano niente. Nel nucleo, quindi, dopo la

trascrizione del cosiddetto trascritto primario avviene lo splicing, processo dove gli

introni vengono eliminati e gli esoni uniti per formare il vero RNA messaggero. Nel

genoma ci sono moltissimi singoli, cioè si presentano in copia singola, altri in forma di

ripetizione in tandem, ovvero più copie presenti una di seguito all’altra. I geni ripetuti

sono di tre tipi: i geni che codificano gli istoni, i geni codificanti l’RNA ribosomiale e i geni

codificanti l’RNA transfert, poiché essi sono elementi che servono in grandi quantità. La

porzione di DNA che contiene l’RNA ribosomiale è detto nucleolo, dove sono presenti

anche le proteine e le sub unità ribosomi ali che formeranno i ribosomi. Talvolta possono

presentarsi più nucleoli nel nucleo. Il cariotipo è l’insieme dei cromosomi di un

organismo, si può osservare al microscopio nel momento della divisione cellulare e

nell’essere umano sono presenti 23 coppie di cromosomi omologhi, tra i quali c’è la

coppia di cromosomi sessuali, XX nelle femmine e XY nei maschi, dove Y è più piccolo e

non propriamente omologhi ma detti eterocromosomi,

MITOSI, MEIOSI E DUPLICAZIONE DEL DNA

La mitosi è un meccanismo di riproduzione tipico delle cellule somatiche,cioè tutte le

cellule del nostro corpo, e le cellule germinali, cioè le staminali che originano i gameti,

mentre la meiosi riguarda solo quest’ultime. Con la mitosi si ottengono due cellule

geneticamente uguali tra loro, con la meiosi invece se ne originano due diverse. In

generale le cellule hanno vita ciclica, ovvero si accrescono, duplicano il loro DNA e si

dividono in due cellule figlie. Questo processo di divisione cellulare si divide in interfase e

mitosi. L’interfase a sua volta è divisa in:

 G , fase di accrescimento, in cui la cellula si prepara a duplicare il proprio

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materiale genetico.

 S, fase in cui la cellula duplica il suo materiale genetico, che sta infatti per Sintesi

 G , fase in cui la cellula, dopo aver duplicato il DNA, attraversa un nuovo intervallo

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in cui si prepara alla divisione cellulare.

Il DNA è un doppio filamento che nasce dalla polimerizzazione dei singoli nucleotidi, con i

filamenti ordinati secondo una precisa direzione e antiparalleli tra loro. Il processo di

duplicazione del DNA è detto semiconservativo, poiché i filamenti iniziali si separano e su

ciascuno si costituisce un nuovo filamento di DNA complementare, ottenendo alla fine

due molecole che hanno all’interno una parte vecchia e una nuova. Nei procarioti, il

punto di inizio della duplicazione è unico, poiché il DNA è circolare e breve, mentre negli

Eucarioti ogni molecola presenta più punti di inizio, poiché sono molto più lunghe, e di

solito comprende regioni in cui si ha abbondanza di coppia AT, perché tra loro i legami a

idrogeno sono più deboli. Quando i filamenti si separano, nell’origine della duplicazione si

crea la cosiddetta bolla di replicazione, apertura che aumenta con il procedere della

duplicazione, poiché i filamenti non si separano completamente in tutta la molecola fino a

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che non è stata replicata. Gli estremi della bolla si chiamano forcelle replicative, e sono i

punti in cui avviene effettivamente la duplicazione del DNA. Negli eucarioti si creano più

bolle, che si estendono verso gli estremi fino ad entrare in contatto con le altre, e

contemporaneamente alla duplicazione, avviene la condensazione della cromatina. Le

forcelle hanno direzione opposta, ma in esse avvengono le stesse operazioni operate da

tre enzimi importanti: elicasi, SSBP e Topoisomerasi, quest’ultima a monte, fuori dalla

bolla, che antecede l’avanzamento. L’elicasi separa fisicamente i due filamenti,

rompendo i legami a idrogeno tra le basi con l’utilizzo di ATP. Per la termodinamica, i due

filamenti tenderebbero a unirsi, e ciò viene impedito dalle SSBP, proteine che si legano al

singolo filamento. La topoisomerasi elimina il superavvolgimento che si forma quando il

DNA viene svolto, poiché negli eucarioti esso si trova legato a proteine, e quindi è una

struttura fissa. Quelle del I tipo fanno dei tagli al singolo filamento, che ruota su se stesso

per 360°, rilassando il giro per poi essere ricucito. Quelle del II tipo fanno dei tagli ai

segmenti che sono ormai superavvolti, interessando il doppio filamento, che ruota su se

stesso, scioglie il superavvolgimento e viene poi ricucito. Il processo tra eucarioti e

procarioti è simile, anche se i primi presentano molti enzimi che hanno isoforme che si

occupano di ulteriori dettagli. Per sintetizzare il vero DNA, interviene un altro enzima, la

DNA polimerasi, che forma legami fosfodiesterici tra 3’ OH del filamento di acido nucleico

e il 5’ fosfato di un unico nucleotide, allungando quindi il filamento che già c’è. Ci sono

fondamentalmente tre tipi di DNA polimerasi, dove quella di tipo III è la principale, che

costruirà il DNA, quella di tipo II ripara eventuali errori e quella di tipo I elimina gli

inneschi di RNA. L’attività della DNA polimerasi però può operare su frammenti già

esistenti, quindi l’RNA polimerasi entra in gioco per creare inneschi di RNA, attaccando

singoli nucleotidi per far iniziare la sintesi. La DNA polimerasi in direzione 3&rsq