Biologia animale 3

NUCLEO

Parliamo di cellule eucariotiche in quanto nei procarioti non c’è. È un organello che occupa il 10%

del volume della cellula, costituito da una doppia membrana: involucro nucleare.

Attività: avvengono processi fondamentali per la vita della cellula.

Contiene i cromosomi e li suddivide durante la divisione cellulare; duplica il DNA, trasporta

fattori di regolazione e prodotti dei geni tramite i pori nucleari; avvengono sintesi e

maturazione degli RNA e assembla le subunità ribosomiali; organizza duplicazione.

È in comunicazione con il citoplasma attraverso i pori nucleari attraverso i quali possono uscire

le molecole.

Durante l’evoluzione della cellula essa ha sentito il bisogno di confinare il nucleo per proteggere

il suo patrimonio genetico dalle forze generate dal citoplasma.

(già parlato dell’involucro nucleare). L’involucro

nucleare ha una struttura complessa che

consiste di due membrane: interna ed esterna

che è in comunicazione con il reticolo

endoplasmatico rugoso. Le due membrane

agiscono da barriera e sono unite a livello dei

pori nucleari, gli unici canali attraversi i quali

piccole molecole polari e macromolecole sono in

grado di passare attraverso l’involucro. Piccole

molecole e proteine con massa inferiore a 20-

40 kd attraversano il poro con diametro 9nm

per diffusione facilitata. Le maggior parte

delle proteine e l’RNA passano per trasporto

attivo quindi con consumo di energia.

Sottostante la membrana interna si trova la

Lamina nucleare, un reticolo fibroso che fornisce supporto strutturale al nucleo ed è formata

da proteine dette LAMINE.

PORO NUCLEARE: Struttura simile ad una ruota costituito da anelli paralleli, ognuno costituito

da otto subunità che delimitano il bordo della ruota. Otto raggi connettono i due anelli e si

estendono fino al trasportatore centrale nel mezzo della ruota. Il trasportatore può essere

considerato come una struttura a diaframma che si apre e chiude per permettere il passaggio

di particelle con differenti dimensioni. Mette in comunicazione il citosol con il nucleoplasma.

TRASPORTO ATTIVO

Le proteine sono sintetizzate solo nel citoplasma. Nel nucleo servono le proteine basti pensare

a tutti gli enzimi che servono nella duplicazione o le proteine adibite all’impaccamento del DNA.

Le proteine che entrano nel nucleo presentano segnali (sequenze di amminoacidi) di

localizzazione nucleare (NLS) per la loro traslocazione (Lys-Arg e Lys-Lys-Lys-Lys). 57

Le proteine che escono dal nucleo presentano segnali di

esportazione nucleare (NES) per la loro traslocazione nel

citoplasma.

- CICLO DI IMPORTAZIONE

La sequenza NLS fa in modo che la proteina IMPORTINA

si leghi alla proteina che deve entrare “cargo”. L’importina

può passare attraverso il trasportatore trascinando con sé

la proteina cargo. All’interno del nucleo interviene una

proteina RAN-GTP che si lega all’importina inducendo il

rilascio della proteina cargo. Il complesso Ran-GTP-

importina è ritrasportato nel citosol dove l’idrolisi del GTP

a GDP è accompagnata dal rilascio dell’importina.

- CICLO DI ESPORTAZIONE

Nel caso dell’esportazione il cargo principale è

rappresentato dall’RNA che viene prodotto con segnali di

esportazione NES. La proteina Ran-GTP si lega

all’ESPORTINA all’interno del nucleo, promuovendone il

legame con il cargo, rappresentato da un complesso

ribonucleoproteico. Il complesso esportina-cargo-Ran-GTP

viene esportato attraverso il poro nucleare nel citosol dove

l’esportina e il suo cargo sono rilasciate da Ran in un processo

accompagnato dall’idrolisi di GTP a GDP. Quindi l’esportina

ritorna nel nucleo dove può ricominciare il ciclo di

esportazione.

Entrambi i cicli: sono guidati da gradiente di concentrazione

della proteina Ran-GTP. Il Ran-GDP all’esterno deve

rientrare nel nucleo per essere riconvertito a Ran-GTP. Il

Ran-GTP deve essere alto nel nucleo perché promuove la

dissociazione proteina-importina. E’ mantenuto dalla

presenza di un GEF (fattore di scambio dei nucleotidi guanilici) nel nucleo e di un GAP (fattore

attivante la GTPasi) nel citosol.

NUCLEOLO: regione distesa di rilevanti dimensioni dove avviene la formazione dei ribosomi.

Nella regione organizzatrice del nucleolo sono situati i geni che codificano per l’RNA

ribosomiale. L’rRNA prodotto dalla trascrizione e le proteine ribosomiali (che provengono dal

citoplasma) vengono impiegati per la sintesi delle subunità ribosomiali che in tale fase sono

definiti PRERIBOSOMI poi passano nel citoplasma dove avviene la formazione del ribosoma.

Negli eucarioti 4 r-RNA, 3 sintetizzati nel nucleolo e 1 il più piccolo da un’altra parte. Ai r-RNA

si legano già delle proteine che matureranno nel citosol. 58

DNA

(già vista la struttura) 2 filamenti antiparalleli e complementari che si avvolgono a formare una

doppia elica destrorsa. Solo così le basi si

trovano di fronte e possono interagire con

legame a idrogeno in modo complementare

purina-pirimidina(2 per A-T e 3 per C-G).

Quando fu scoperto questo modello

suggeriva il meccanismo con cui le cellule

potevano replicare il loro patrimonio

genetico. Prima della divisione cellulare i due

filamenti della doppia elica si separano in

modo da fungere ognuno da stampo di un

nuovo filamento complementare. Gli

scheletri dei due filamenti (costituiti da uno

zucchero e un gruppo fosfato alternati) sono

separati tra loro da una distanza di 1.1 nm e

questo spazio è occupato da una purina e una

pirimidina.

Ogni coppia di basi giace su un piano

orizzontale più o meno perpendicolare

all’asse maggiore della molecola.

Il modo in cui i due filamenti sono avvolti

crea due solchi, uno maggiore e uno minore.

Antiparallelo: i legami fosfodiesterici che uniscono il carbonio 5’ di un nucleotide al carbonio 3’

dell’altro nucleotide hanno orientamento opposto nei due filamenti. Partendo dall’alto il

filamento di sinistra ha orientamento 5’->3’, il filamento di destra ha orientamento 3’->5’.

Importante sia per la replicazione che duplicazione.

Ogni giro completo di elica include 10-11 paia di basi.

Il nucleo contiene

-CROMATINA: materiale nucleare, insieme di tutte le molecole di DNA che stanno nel nucleo

con tutte le proteine associate che possono essere ISTONICHE O NON ISTONICHE (coesine

e condensine). Istoni: gruppo di proteine relativamente piccole e basiche il cui elevato numero

di arginina e lisina li rende carichi positivamente. L’interazione fra gli istoni e il DNA che è

carico negativamente è stabilizzata da legami ionici. Il DNA grazie ai due tipi di proteine si

compatta in vari livelli. Il DNA è più decondensato nell’interfase del ciclo cellulare e si condensa

nella mitosi in cromosomi.

-CROMOSOMA: prima della duplicazione è una singola molecola di DNA. Strutture individuali in

cui è divisa la cromatina. Dopo la duplicazione un cromosoma è formato da due molecole di DNA

identiche tra loro detti CROMATIDI FRATELLI uniti saldamente dal centrmero. Il termine

cromosoma si riferisce più precisamente al cromosoma metafasico con caratteristica forma a

X. Quando le due molecole raggiungono massimo livello di condensazione e sono associate alle

proteine il cromosoma è detto METAFASICO. 59

In tutte le altre fasi del ciclo cellulare più che di cromosi si parla di cromatina perché le

molecole di DNA non sono distinguibili in quanto formano un unico groviglio.

COMPATTAMENTO DEL DNA

Se prendo una molecola di DNA che sta nel nucleo non in fase di mitosi il DNA è lasso. Poi inizia

a compattarsi secondo diversi livelli. Alla fine quando la cellula si avvicina alla fase della mitosi

ogni cromosoma si rappresenta a X. Formato da due cromatidi fratelli. Essi sono identici e uniti

a livello del centromero. Il fatto che siano ben compatti comporta che si stacchino bene per

andare in due nuclei diversi. Il grado di compattamento varia in corrispondenza alla fase della

vita della cellula. Compattando DNA facciamo sì che ci stiano nello spazio ristretto del nucleo.

Il DNA è più lasso INTERFASE quando la cellula deve ingrandirsi e quindi produrre tante

proteine per tutti gli organuli. La RNA polimerasi deve poter leggere tutte le sue info.

-1° livello di compattamento: a “COLLANA DI PERLE”

La compattazione del DNA nei cromosomi avviene

grazie agli istoni e alle proteine non istoniche. DNA

+ proteine = cromatina.

Istoni: piccole proteine basiche con carica positiva

che costituiscono la struttura portante della

cromatina.

Il NUCLEOSOMA: rappresenta l’unità di cromatina:

2 coppie di 4 istoni (8 proteine istoniche 2 H2A, 2

H2B, 2 H3 e 2 H4) formano un core istonico attorno

al quale si avvolge la doppia elica di DNA per due volte (146 coppie di basi). L’istone H1 stabilizza

il DNA in entrata e in uscita dal nucleosoma. I nucleosomi sono collegati da DNA linker.

-2° livello di compattamento: a “SOLENOIDE”

La collana di perle si avvolge a solenoide che contiene da 6 a

8 nucleosomi per giro e forma domini ad ansa che si

addensano ulteriormente nei cromosomi. Intervengono istoni

H1 per stabilizzare avvolgimenti della spirale.

-3° livello di compattamento: a

“SUPER SOLENOIDE”

La spirale del solenoide forma

delle anse.

-4° livello di compattamento:

CROMOSOMA METAFASICO

È il massimo grado di

compattamento, si forma nella

MITOSI. Formato da due

cromatidi fratelli e uniti a livello

del centromero. I CROMATIDI

FRATELLI sono filamenti di DNA

di cui uno è la replica dell’altro.

Durante l’interfase la maggior 60

parte dei cromosomi si dimostra scarsamente visibile in quanto decondensati, formano un unico

groviglio.

I cromosomi hanno strutture diverse analizzando il

cariotipo a seconda della posizione del centromero:

metacentrico il centromero è messo a metà, i due bracci

sono detti P e Q in quanto non hanno proprio la stessa

lunghezza; submetacentrico quando il centromero è più

spostato verso un’estremità, acrocentrico quando i due

cromatidi si uniscono alle due estremità Y. I bracci P si

riducono a satellite e stalk. Il satellite è sempre compatto

e non viene mai trascritto.

Le parti terminanti sono dette telomeri.

CICLO CELLULARE -INTERFASE:

G1: fase di accrescimento e sintesi proteica

S: replicazione del DNA

G2: sintesi di proteine necessarie perché avvenga la

mitosi, intervallo necessario perché la cellula controlli

che il DNA si è replicato correttamente

- MITOSI: divisione cellulare

-CITOCINESI

La cromatina è una struttura altamente dinamica, con

possibili livelli di organizzazione che riflettono la sua

attività.

Interfase:

- GAP 1: tanto DNA trascritto in RNA tradotto in proteina. Il DNA è lasso decondensato.

- Fase S: DNA ancora lasso, i cromosomi sono duplicati.

-GAP 2: DNA inizia a compattarsi in preparazione della mitosi per formare i cromatidi fratelli.

La CROMATINA È DECONDENSATA e distribuita in tutto il nucleo sotto forma di

EUCROMATINA, essa è attivamente espressa cioè trascrivibile. In piccola quantità può essere

CONDENSATA sotto forma di ETEROCROMATINA in quei segmenti che non vengono tradotti

(es zona satellite del cromosoma Y). Se questi segmenti sono contenuti in tutte le cellule si dice

ETEROCROMATINA COSTITUTIVA e non sono mai trascritte. Alcune zone di cromatina

possono essere condensate in alcune cellule ma in altre no si dice ETEROCROMATINA

FACOLTATIVA e varia secondo l’attività trascrizionale del tipo cellulare. Queste zone che

rimangono condensate sono trascrizionalmente inattive.

Mitosi: la cromatina è tutta compattata: ETEROCROMATINA.

-nella profase (prima fase della mitosi) si hanno i CROMOSOMI METAFASICI, massimo livello

di compattamento. 61

GATTINA CALICO. Etero cromatina facoltativa.

Nelle femmine di mammifero, compreso l’uomo, uno dei due cromosomi X viene inattivato per

conversione in eterocromatina (corpo di Barr) all’inizio dello sviluppo. E’ un processo embrionale

casuale: l’X di derivazione paterna e quello di derivazione materna hanno uguali possibilità di

venire inattivati in qualsiasi cellula. La formazione del corpo di Barr è dovuta all'azione della

regione Xic, X inactivation centre. Se è attiva il cromosoma viene inattivato. Una volta che si è

stabilita la struttura condensata della cromatina di un cromosoma X, qualche processo

sconosciuto fa ereditare fedelmente la struttura durante le replicazioni successive del DNA.

L’X condensato viene riattivato durante la formazione delle cellule germinali.

Nel gatto calico, un allele per il colore nero del pelo è su un cromosoma X, un allele per il colore

arancione è sull’altro cromosoma X. Colore del pelo a macchie nere e arancioni è sicuramente

femmina. Questo ha due cromosomi X uno paterno e uno materno con due geni del colore. Uno

dei due cromosomi X è sempre altamente condensato in eterocromatina, quindi inattivo detto

CORPO DI BARR. Gruppi di cellule hanno attivato il cromosoma X materno altre quello paterno.

Il gatto è stato clonato: carbon copy pur avendo lo stesso patrimonio genetico non presenta la

colorazione a tartaruga a dimostrazione che la disattivazione di un cromosoma X è casuale.

Ipotesi della Compensazione del dosaggio: la X ha già tanti geni il secondo viene disattivato. Nel

maschio ho un cromosoma Y acrocentrico con pochi geni e necessita di uno X.

Il contenuto di DNA nelle cellule di una specie animale è mantenuto costante.

- GENOMA: insieme di tutti i cromosomi che stanno in un individuo, quindi è l’insieme di

tuti i geni di un individuo. I batteri hanno una singola molecola di DNA mentre in una cellula

animale vi sono 46 cromosomi.

- CARIOTIPO: rappresentazione ordinata del corredo cromosomico di un individuo.

Nell’uomo 23 coppie di cromosomi a unico filamento: 22 di autosomi e una coppia di cromosomi

a unico filamento sessuali. La dimensione del genoma non è correlata con la scala di evoluzione

dell’individuo. Il cariotipo di una cellula è dato dal numero e dalla morfologia dei suoi cromosomi.

Come si effettua l’analisi del cariotipo:

-Prelievo di sangue

-Centrifugazione per ottenere globuli bianchi

-Stimolazione alla mitosi delle cellule

-Blocco delle cellule in fase mitotica con colchicina

-Le cellule vengono fatte scoppiare immergendole in una soluzione per lisi Osmotica. Messe

quindi in una soluzione ipotonica.

-La piastra metafasica viene isolata. I cromosomi condensati possono essere separati

-I cromosomi vengono colorati col metodo del ‘banding’ nel quale assumono una colorazione a

bande o fasce colorate. 62

. Bandeggio cromosomico: Dei coloranti specifici riconoscono delle sequenze di

nucleotidi nei vari cromosomi e consentono di individuare i bracci p e q, bande e

sottobande in base al grado di condensazione dei cromosomi mitotici. La

colorazione più conosciuta è la GIESMA che riconosce regione ricche di AT.

Dopo la colorazione si osservano al

microscopio un’alternanza tra bande G-

positive scure, G-negative chiare. Esiste

anche il cariotipo a fluorescenza.

I cromosomi trattati con nucleotidi che

riconoscono i loro complementari e sono

legati a una o più molecole fluorescenti.

Le coppie di cromosomi omologhi sono

identificate ricercando cromosomi della stessa

dimensione e colore.

-La piastra metafasica viene fotografata.

OGNI COPPIA DI CROMOSOMI (cromosomi omologhi)

CONTIENE UN CROMOSOMA DI ORIGINE PATERNA

E UN CROMOSOMA DI ORIGINE MATERNA. Ciò

avviene in tutti gli organismi a riproduzione sessuata.

I cromosomi sono presenti in (23) coppie di singoli filamenti nelle cellule somatiche (tutte le

cellule di un organismo tranne i gameti che hanno metà del corredo cromosomico quindi hanno

23 cromosomi a singolo filamento/cromatidi) e i membri di una coppia sono i cromosomi

omologhi. Se una cellula contiene 2 cromosomi di ogni tipo, (cioè 23 coppie di cromosomi) si dice

che possiede un corredo cromosomico DIPLOIDE; se invece è presente un cromosoma di ogni

coppia di omologhi, si dice che il corredo è APLOIDE (caso dei gameti).

Nell’uomo il numero diploide è 46 cromosomi, 23 coppie di omologhi. il numero