NUCLEO E MATERIALE GENETICO NUCLEOSOMA, ISTONI, CROMATINA CROMOSOMA, CARIOTIPO, GENOMA DNA, FUNZIONI DEL DNA (AUTOSINTETICA ED ALLOSINTETICA) RNA SINTESI PROTEICA (TRASCRIZIONE E TRADUZIONE)

CELLULA EUCARIOTE

NUCLEO E

MATERIALE GENETICO

La presenza di un nucleo è la principale caratteristica che distingue

la cellula eucariote da quella procariote

Ospitando il genoma, il nucleo svolge la funzione sia di deposito dell’informazione genetica che di centro di controllo della cellula

INVOLUCRO NUCLEARE

INVOLUCRO NUCLEARE

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

L’involucro nucleare ha una struttura complessa, essendo costituito da due membrane nucleari, dalla sottostante lamina nucleare e dai complessi del poro.

INVOLUCRO NUCLEARE

Le membrane nucleari esterna ed interna si continuano l’una nell’altra a livello dei complessi del poro.

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

I pori nucleari hanno una organizzazione che

permette il passaggio di molecole e strutture sovramolecolari di

dimensioni notevoli

INVOLUCRO NUCLEARE

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

LAMINA NUCLEARE

La lamina nucleare, che riveste la superficie nucleare della membrana nucleare interna, forma un reticolo fibroso che fornisce un supporto strutturale al nucleo. La lamina nucleare è costituita da proteine fibrose di 60-80kDa chiamate lamine, insieme con proteine associate.

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

Modello di assemblaggio delle lamine

Le catene polipeptidiche delle lamine formano dei dimeri in cui le regioni centrali ad α-elica dei due polipeptidi sono avvolte l’una intorno all’altra. Le fasi successive dell’assemblaggio comportano l’associazione testa-coda dei dimeri, che in tal modo formano dei polimeri lineari, e l’associazione laterale dei polimeri, a formare strutture di ordine superiore

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

LAMINA NUCLEARE

La membrana nucleare interna contiene diverse proteine integrali, come l’emerina ed il recettore per la lamina B (LBR) che interagiscono con le lamine nucleari. Le lamine interagiscono anche con la cromatina.

Malattie della lamina nucleare Distrofia muscolare di Emery-Dreyfuss (mutazioni nel gene EMD che codifica per una proteina della lamina nucleare interna, l’emerina)

Malattia di Charcot-Marie-Tooh tipo 2B1 (mutazioni nel gene LMNA che codifica per le lamine nucleari A e C)

Progeria di Hucthinson-Gilford (mutazioni diverse sempre nel gene LMNA)

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IL COMPLESSO DEL PORO NUCLEARE

I complessi del poro nucleare sono gli unici canali attraverso i quali piccole molecole polari, ioni e macromolecole (proteine e RNA) possono passare dal nucleo al citoplasma e viceversa.

IL COMPLESSO DEL PORO NUCLEARE

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

Il complesso del poro nucleare possiede una simmetria radiale ottagonale organizzata attorno ad un ampio canale del diametro di 9nm.

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IL COMPLESSO DEL PORO NUCLEARE

Il complesso del poro nucleare consiste di un insieme di otto raggi, fissati ad anelli situati sul lato nucleare che su quello citoplasmatico dell’involucro nucleare. L’insieme raggi-anello delimita un canale centrale. Dall’anello posto sul lato citoplasmatico si estendono filamenti citoplasmatici, mentre dal lato nucleare i filamenti formano una struttura a canestro.

INVOLUCRO NUCLEARE

INVOLUCRO NUCLEARE

Come fa il nucleo ad importare le grandi molecole

di cui ha bisogno, come i complessi di DNA ed RNA polimerasi?

(100.000 e 200.000 Dalton)

Solo le proteine che contengono segnali di localizzazione nucleare vengono trasportate attivamente nel nucleo.

Pro Pro Lys Lys Lys Arg Lys Val

Il segnale, che può trovarsi ovunque all’interno della proteina, è formato da un corto peptide (tipicamente 8 aminoacidi) ricco in amino acidi carichi positivamente (Lisine e Arginine) e proline.

TRASPORTO SELETTIVO DI PROTEINE DA E VERSO IL NUCLEO

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

Le proteine funzionali e strutturali del genoma possiedono specifiche sequenze di aminoacidi dette segnale di localizzazione nucleare (NLS) che le indirizzano verso il nucleo. Questi segnali sono riconosciuti da recettori di trasporto nucleare che guidano il passaggio delle proteine attraverso il complesso del poro.

A short amino-acid sequence able to specify nuclear location. Cell 1984

INVOLUCRO NUCLEARE

Il nucleo contiene il materiale genetico delle cellule eucarioti, che, in una cellula in divisione, si organizza in strutture visibili al microscopio ottico, i cromosomi.

In una cellula quiescente, il materiale genetico appare come una matrice filamentosa, diversamente densa agli elettroni, indicata con il nome di cromatina.

Il materiale genetico degli eucarioti è sempre organizzato in una fibra cromatinica del diametro di 30 nm, che, in condizioni particolari, può svolgersi in una struttura tipica detta a “collana di perle”, in cui si identificano i nucleosomi

Il nucleosoma, formato da nucleo proteico (ottamero di istoni) su cui si avvolge la molecola di DNA, rappresenta la struttura di base della fibra cromatinica.

ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA IN NUCLEOSOMI

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

Gli istoni

I 5 tipi esistenti di istoni possono essere divisi in due gruppi: Gli istoni nucleosomali (H2A, H2B, H3, H4): Sono proteine piccole (102-135 aminoacidi) e tra le più conservate durante l’evoluzione. Gli istoni H1: sono più grandi (220 aminoacidi) e meno conservati durante l’evoluzione. Il lievito Saccharomyces cerevisiae non ha gli istoni H1.

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA IN NUCLEOSOMI

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

Il compattamento del DNA nel nucleosoma produce una fibra di circa 10nm di diametro. La cromatina è ulteriormente condensata mediante avvolgimento a formare una fibra di 30nm di diametro, contenente circa 6 nucleosomi per giro.

ORGANIZZAZIONE DELLA CROMATINA IN NUCLEOSOMI

CROMOSOMI: Le strutture eucarioti in cui si organizza l’informazione genetica

(DNA → geni)

Ogni molecola di DNA è impaccata in un cromosoma , e l’informazione complessiva immagazzinata nei cromosomi di un organismo costituisce il suo genoma.

Ogni cromosoma umano contiene da 50x106 a 250x106 paia di nucleotidi di DNA,

srotolato avrebbe una lunghezza di circa 8 cm.

Ogni molecola di DNA per formare un cromosoma funzionale deve essere in grado di replicarsi,

di segregare in due copie durante la divisione cellulare, e preservarsi per diverse generazioni.

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I CROMOSOMI DURANTE LA MITOSI

I CROMOSOMI DURANTE LA MITOSI

Durante la mitosi la cromatina assume unno stato fortemente condensatofino a formare i compatti cromosomi metafasici, che vengono quindi suddivisi tra i nuclei figli. Nell’interfase una parte della cromatina (ETEROCROMATINA) rimane altamente condensata ed è inattiva per la trascrizione; la restante cromatina (EUCROMATINA) viene decondensata e distribuita in tutto il nucleo.

Cooper and Hausman, La cellula. Piccin

Elizabeth Blackburn e Carol Greider scoprirono che i telomeri sono protetti dal progressivo accorciamento da un enzima chiamato telomerasi (Nobel Prize 2009)

In tutte le cellule il materiale genetico è

sempre e solo il DNA

GENE = unità dell’informazione genetica

Sequenza di DNA che controlla una funzione cellulare specifica. Spesso, ma non sempre, un gene

codifica per una proteina (specifica sequenza di aminoacidi (polipeptide).

(“Un gene - un polipeptide” / “Un gene - un enzima”)

Il numero di cromosomi è una caratteristica della specie può variare da 1 (procarioti) ad alcune centinaia

46 (uomo, patata, ulivo) 38 nel gatto 78 nel cane 34 nel girasole

>1000 felci Ø  Il numero di cromosomi non indica la complessità della specie

Cariotipo (Corredo cromosomico) di una specie indica il numero di cromosomi in cui è organizzato il genoma di quella specie.

Genoma: la totalità dei geni che identificano una determinata specie.

La complessità non correla con il numero di cromosomi

46 250

Ophioglossum reticulatum

Homo sapiens Lysandra atlantica

1260

Novelli G.

~24,000 genes ~40,000 genes

la complessità non correla con il numero dei geni.

Novelli G.

La dimensione del genoma di molti organismi eucarioti non sembra correlata alla sua complessità.

Ad esempio il genoma delle salamandre o delle liliacee contiene più di dieci volte la quantità di DNA presente nel genoma umano, anche se è ev idente che ques t i organismi non sono dieci volte più complessi della nostra specie.

Questo apparente paradosso è stato risolto dalla scoperta che i genomi della maggior parte delle cellule eucariotiche contengono non solo geni

funzionali ma anche grandi quantità di sequenze non codificanti.

Il genoma umano (circa 24.000 geni) è organizzato in 46 cromosomi, 22 coppie di cromosomi autosomici omologhi, e 1 coppia di cromosomi sessuali. Un cromosoma contiene mediamente un migliaio di geni.

Il Cariotipo Umano

Il DNA

Il DNA Acido DesossiriboNucleico

Watson e Crick 1952, Nobel Prize 1962

Il nucleoside è composto da una base azotata e da uno zucchero pentoso (a 5 atomi di C):

Ø Ribosio nell’acido Ribonucleico, RNA

Ø Deossiribosio nell’acido Deossiribonucleico, DNA

Nucleotide = Nucleoside + Gruppo Fosfato

Basi Azotate

Puriniche Adenina

Guanina

Timina (solo nel DNA)

Uracile (solo nel RNA)

Citosina

Pirimidiniche

Basi Puriniche (dalla Purina)

Zuccheri

Basi Pirimidiniche (dalla Pirimidina)

Basi Azotate e Zuccheri Pentosi

Adenina (A) Guanina (G)

Citosina (C) Timina (T) Uracile (U)

Ribosio 2’- deossiribosio

Struttura del DNA

Il DNA è composto da una doppia elica (due filamenti contrapposti). Una scala a pioli in cui i montanti sono costituiti dal deossiribosio e dai gruppi fosfato e i pioli dalle basi azotate (A,T,C,G) appaiate e unite da legami a H. L’appaiamento delle basi non avviene in modo casuale, ma tra basi complementari

La distanza tra le basi è di 0,34 nm

Ciascun filamento compie un giro completo ogni 10 basi = 3,4 nm

1nm=10-9 cm

Il DNA è una doppia elica con le basi all’interno e lo scheletro di zuccheri e fosfati all’esterno della molecola

Le basi di filamenti complementari sono unite da legami H (A--T e G---C).

I due filamenti di DNA corrono in direzioni opposte (5’-3’’ e 3’-5’).

2 nm

0,34 nm

3,4 nm

5’ 3’

5’ 3’

Estremità 3’

Estremità 5’

Estremità 5’

Estremità 3’

Struttura del DNA

La sequenza di basi di una catena polinucleotidica del DNA determina la sequenza di basi nell’altra catena

polinucleotidica antiparallela

A T A C G C T G

T A T G C G A C

Complementarietà delle Basi Azotate

3’

3’ 5’

5’

La sequenza di basi di una catena polinucleotidica del DNA determina la sequenza di basi in una catena polinucleotidica

nascente di RNA

A T A C G C T G

U A U G C G A C

Complementarietà delle Basi Azotate

3’

3’ 5’

5’

Le funzioni del DNA

Replicazione

Trascrizione

mRNA rRNA tRNA snRNA

Traduzione

Proteine strutturali

Proteine con funzioni

speciali

Enzimi

Controllo delle attività metaboliche

Auto-sintetica

Replicazione del DNA

Allosintetica Sintesi di RNA

Sintesi Proteica

Proteina

Espressione del DNA Funzione allosintetica

Trascrizione

rRNA

snRNA ← Sintesi di RNA → mRNA

tRNA

Controllo sulla morfologia e funzione cellulare

PRO

TE

INE

RNA

Shapiro

RNA mRNA- RNA messaggero- viene tradotto in un polipeptide rRNA- RNA ribosomale- viene utilizzato per la costruzione dei ribosomi tRNA- RNA transfer- porta gli aminoacidi sul polipeptide nascente snRNA- small nuclear RNA- piccoli RNA nucleari complessati con proteine che mediano la maturazione degli RNA che vengono poi trasportati nel citoplasma snoRNA-small nucleolar RNA- piccoli RNA nucleolari, svolgono parecchie funzioni (partecipano alla biosintesi dei ribosomi, modificano il ribosio di alcuni RNA attraverso l’aggiunta di gruppi metilici, partecipano allo splicing alternativo, serve da templato per la sintesi dei telomeri miRNA-microRNA- piccole molecole di RNA (22 nucleotidi) che controllano l’espressione di RNA messaggeri lncRNA- long noncoding RNA-molecole di RNA che controllano l’espressione di RNA messaggeri

IL NUCLEOLO

Organulo nucleare in cui avvengono la trascrizione e la maturazione dell’rRNA e parte dell’assemblaggio dei ribosomi.