Biologia 11- Materiale Genetico e Sue Proprietà

Biologia 11 Nucleo, materiale genetico e sue propriet 1

Biologia 11 Nucleo, materiale genetico e sue propriet

Esperimenti sul DNA

Esperimento di Griffith

L'esperimento di Frederick Griffith del 1928 fu uno dei primi esperimenti a suggerire che i batteri sono in grado trasferire informazioni genetiche attraverso un processo noto come trasformazione. In tal modo, esso apr la strada alla determinazione di quale fosse la natura del materiale genetico. Che esistesse una qualche sostanza in grado di trasmettere l'informazione genetica (il materiale genetico, appunto) era noto da tempo. Tra la fine del 1800 e i primi anni del 1900 venne proposto e dimostrato che il materiale genetico fosse racchiuso nei nuclei delle cellule e in particolare nei cromosomi. Rimaneva per aperta la questione intorno alla materia costitutiva del materiale genetico. L'ufficiale medico inglese F. Griffith in quegli anni studiava un batterio in grado di causare la polmonite: il pneumococco (Streptococcus pneumoniae). Nei suoi esperimenti fece uso di due ceppi batterici:

Il ceppo S, detto anche liscio dal momento che produce colonie lisce e lucenti (grazie alla presenza di una capsula batterica polisaccaridica). Questo ceppo in grado di provocare la polmonite.

Il ceppo R, detto anche rugoso dal momento che produce colonie dall'aspetto "rugoso" (a causa dell'assenza della capsula batterica). Questo ceppo non in grado di provocare polmonite.

Schema dell'esperimento 1. Quando Griffith iniett batteri R (ceppo IIR) in un topo, verific che la cavia non si ammalava e non

era possibile isolare questi batteri dai tessuti dell'animale. 2. Quando il medico iniett batteri S (ceppo IIIS) in topo, verific che l'animale si ammalava, moriva ed

era possibile isolare questi batteri dai tessuti dello stesso. 3. Successivamente prese alcuni batteri IIIS e li uccise in seguito a shock termico. Iniett poi questi

batteri morti in un topo e come c'era d'aspettarsi il topo non si ammal e non fu possibile isolare IIIS dai tessuti dell'animale.

4. Da ci si deduce che, per provocare la malattia, necessaria la presenza della capsula e i batteri capsulati devono essere ovviamente vivi.

5. A questo punto Griffith prepar una miscela in cui erano presenti batteri vivi IIR e batteri morti IIIS (uccisi col calore). Iniett questa miscela in un topo: quello che ci si aspettava era la NON comparsa di malattia nell'animale (dal momento che non sarebbero dovute sussistere le condizioni appena citate). In realt il topo si ammal e mor; nei suoi tessuti si riscontrarono batteri IIIS vivi.

Conclusioni Griffith propose l'unica spiegazione plausibile: alcuni batteri IIR, in seguito all'interazione con batteri morti IIIS si erano trasformati in IIIS. Evidentemente all'interno dei IIIS morti doveva essere presente una qualche sostanza in grado di conferire ai batteri IIR che l'acquisivano la capacit di sintetizzare la capsula polisaccaridica. Questa sostanza il materiale genetico. Griffith chiam il materiale genetico principio trasformante. Erroneamente, come per la stragrande maggioranza degli scienziati suoi contemporanei, riteneva che questa sostanza dovesse essere di natura proteica. A partire da questo importantissimo esperimento, Avery, MacLeod e McCarty nel 1943 dimostrarono che il materiale genetico in questione era il DNA (anche se la prova definitiva arriv solo dagli esperimenti di Hershey e Chase del 1953.

Esperimento di Avery, Mac Leod e McCarty

L'esperimento di Avery (Oswald Theodore Avery) e dei suoi colleghi Colin M. MacLeod e Maclyn McCarty risale al 1943 e rappresenta una delle esperienze fondamentali per l'avanzamento delle conoscenze nel campo della genetica e della biologia molecolare. Tramite l'esperimento gli scienziati riuscirono a dimostrare che il cosiddetto principio trasformante scoperto nel 1928 da Griffith in seguito al suo famoso esperimento era il DNA. Schema dell'esperimento Avery si procur una coltura di pneumococchi di tipo S. A questo punto lis le cellule in modo da ottenere una soluzione nella quale era disciolto il materiale contenuto nei batteri, il cosiddetto estratto cellulare o lisato cellulare. Il materiale genetico doveva presumibilmente essere uno dei diversi tipi di macromolecole


biologiche presenti nei batteri: proteine, polisaccaridi, acidi nucleici ovvero DNA e RNA e lipidi. Avery e colleghi riuscirono a separare l'estratto cellulare nelle varie componenti macromolecolari appena citate. Successivamente cercarono di capire quali di queste sostanze erano effettivamente in grado di trasformare batteri R avirulenti in batteri S virulenti. Le cavie sopravvivevano quando trattate con tutte le biomolecole tranne gli acidi nucleici: il materiale genetico doveva essere quindi DNA e/o RNA. Per capire quale delle due sostanze fosse, divisero l'estratto contenente l'acido nucleico in due aliquote: una venne trattata con l'enzima ribonucleasi (RNasi) che degrada selettivamente l'RNA e non il DNA, l'altra venne invece trattata con deossiribonucleasi (DNasi) che degrada selettivamente il DNA e non l'RNA. Ci che si osserv era la trasformazione dei batteri R in batteri S solo in seguito all'aggiunta dell'aliquota trattata con RNasi. Il materiale genetico doveva allora essere necessariamente il DNA.

Esperimento di Hershey e Chase

L'esperimento di Alfred D. Hershey e Martha Chase prova definitivamente nel 1953 che il materiale genetico costituito da DNA e non da proteine. In seguito a questi risultati incontrovertibili anche gli scienziati che avevano criticato l'esperimento di Avery, MacLeod e McCarty si convincono dell'importantissimo ruolo biologico del DNA. Schema dell'esperimento Hershey e Chase svolgevano studi su un fago, ovvero un virus in grado di infettare i batteri; in particolare il fago di loro interesse era noto come "T2". Questo virus in grado di attaccare Escherichia coli (un batterio utilizzato spesso come modello in questo genere di studi). All'epoca era noto che T2 era formato esclusivamente da DNA protetto da un involucro proteico. I due scienziati prepararono in parallelo due colture di E. coli:

Nel terreno di coltura della prima introdussero fosforo marcato radioattivamente (l'isotopo 32P). Nel terreno di coltura della seconda introdussero zolfo marcato radioattivamente (l'isotopo 35S).

I batteri delle due colture metabolizzarono da una parte il fosforo marcato e dall'altra lo zolfo marcato introducendo questi atomi radioattivi nelle biomolecole presenti all'interno delle cellule. In particolare:

Il fosforo marcato si trover nei nucleotidi e di conseguenza anche negli acidi nucleici; non sar presente invece in quantit significative nelle proteine.

Lo zolfo marcato si trover nelle proteine (in particolare nell'amminoacido cisteina) e non si trover nei nucleotidi.

A questo punto i ricercatori infettarono parallelamente le due colture batteriche con il fago T2. Questo virus utilizza l'apparato biosintetico delle cellule di E. coli per replicare il proprio DNA e per sintetizzare le proteine del rivestimento e quindi per costruire virus completi che causeranno poi la lisi (rottura) della cellula batterica parassitata. Dal momento che i nucleotidi e gli amminoacidi utilizzati nella sintesi del DNA e delle proteine virali sono quelli presenti all'interno della cellula batterica infettata (cresciuta nutrendosi degli isotopi radioattivi), ne risulta che i fagi sviluppati dall'infezione nella prima coltura avranno un DNA marcato radioattivamente, mentre quelli sviluppati dall'infezione della seconda coltura avranno il rivestimento proteico esterno marcato radioattivamente. Hershey e Chase separarono i fagi neoformati (quelli marcati) dai due terreni di coltura e, separatamente, li utilizzarono per infettare altre due colture di E. coli, in questo caso cresciute su terreni "standard" privi di isotopi radioattivi.

Nel caso in cui i fagi infettanti avevano il DNA marcato, in seguito all'infezione gran parte della radioattivit veniva misurata all'interno delle cellula batteriche colpite (e nel DNA di una parte dei nuovi fagi sviluppatisi in seguito a questa infezione).

Nel caso in cui i fagi infettanti avevano il rivestimento proteico marcato, la radioattivit veniva misurata solamente all'esterno delle cellule batteriche colpite (e non era presente sul rivestimento proteico dei nuovi fagi sviluppatisi in seguito a questa infezione).

Il processo utilizzato per determinare se la radioattivit provenisse dall'interno o dall'esterno delle cellule fu il seguente: dopo un certo tempo dall'inizio dell'infezione, il terreno di coltura veniva posto in un agitatore. La conseguente agitazione provocava il distacco del rivestimento proteico dei virus dalla membrana cellulare del batterio (in questo caso si parla di "ombre fagiche" poich questi rivestimenti


proteici non contengono il DNA che gi stato iniettato nella cellula). Il tutto veniva poi centrifugato: le cellule batteriche (contenenti eventualmente il DNA marcato) rimanevano sul fondo della provetta, mentre i rivestimenti proteici dei virus, distaccati dalle membrane cellulari dei batteri, rimanevano in sospensione. A seconda di dove si misurava la maggiore radioattivit era possibile dedurre se la molecola marcata si trovasse o meno all'interno della cellula batterica. Nel caso del DNA marcato la radioattivit si misur sul fondo della provetta (quindi allinterno dei batteri: Nel caso delle proteine marcate la radioattivit si misur sul sopranatante (quindi allesterno dei batteri): Conclusione Dal momento che il fago per replicarsi ha bisogno di introdurre all'interno della cellula ospite il suo materiale genetico per poter sfruttare l'apparato batterico di biosintesi, appare evidente che questo materiale genetico deve essere per forza il DNA poich, come dimostrato, le proteine non entrano nella cellula colpita mentre il DNA s.

Nucleo E lorganulo pi importante presente nella cellula eucariote. Ha forma, volume e sede molto variabili.

Struttura Il nucleo formato da 4 componenti:

1) Membrana nucleare. Si tratta di una doppia membrana, una interna ed una esterna (ciascuna formata da un doppio strato fosfolipidico), separate da uno spazio intermembrana ( detto cisterna perinucleare). La cisterna perinucleare in comunicazione con lo spazio interno delle sacche del reticolo endoplasmatico rugoso, e, come questa, contiene ribosomi adesi alla superficie. La membrana nucleare non continua, ma presenta dei fori, detti pori nucleari, che permettono la comunicazione (controllata) tra il nucleo ed il citoplasma. Il poro formato da tre anelli proteici: anello citoplasmatico (sul versante citoplasmatico del poro), anello nucleare (sul versante nucleare del poro) e anello centrale (tra gli altri due). Ogni anello costituito da 8 subunit proteiche. Sia lanello interno che quello esterno sono attaccati a filamenti del citoscheletro. In particolare, i filamenti dellanello interno formano una struttura caratteristica, una sorta di canestro (detto, appunto, nuclear basket). Nellinsieme le strutture costituenti il poro nucleare realizzano una sorta di diaframma capace di modificare lapertura del foro. Infatti, molecole piccole (


- fornire aggancio e sostegno alla cromatina;

- regolare lespressione genica; per esempio, la cromatina a contatto con la lamina nucleare formata da eterocromatina (cio cromatina addensata) e, quindi, i geni appartenenti ad essa sono inattivi. Allinterno della rete fibrillare ci sono, invece, delle zone che si legano ai MAR (Matrix Attachment Regions, elementi regolatori distali) che favoriscono lespressione genica.

3) Cromatina, una sostanza basofila che occupa gran parte del nucleo. Essa si presenta in due forme:

- eterocromatina, grossi ammassi (elettrondensi) dislocati sotto la membrana nucleare o attorno al nucleolo;

- eucromatina, filamenti dispersi. Il suo costituente principale lacido desossiribonucleico (o DNA). Durante il processo di divisione cellulare (mitosi o meiosi), etero ed eucromatina si avvolgono su se stesse per formare i cromosomi. Alla fine della divisione cellulare, poi, i cromosomi si despiralizzano per riformare euro ed eucromatina. Leterocromatina costituita da geni inattivi mentre leucromatina contiene geni attivi. I cromosomi, come noto, si rendono evidenti solo durante la mitosi (quando sono condensati). In realt, essi esistono come entit distinte anche nellinterfase (fase in cui la cellula non si divide). Infatti, essi sono organizzati sotto forma di territori. Ogni cromosoma, cio, occupa una regione ben precisa del nucleo. Tale territorio viene conservato anche dopo la mitosi e si trasmette, quindi, alle cellule figlie. Infine, importante sottolineare che la struttura della cromatina non statica, dinamica, cio cambia stato di condensazione ed attivit a seconda delle necessit.

4) Nucleolo, una struttura rotondeggiante od ovale presente allinterno del nucleo, in numero variabile da 1 a 6, spesso attaccato alla membrana nucleare o comunque in posizione eccentrica rispetto al nucleo. Spesso, il nucleolo circondato da cromatina addensata (cromatina perinucleolare). la sede di produzione dei ribosomi, sia per quanto riguarda la produzione dellrRNA sia per lassemblaggio di questo con le proteine ribosomiali per formare le subunit ribosomiali (che poi abbandonano il nucleo per andare nel citoplasma, passando attraverso i pori della membrana nucleare). Esso fortemente basofilo a causa dellabbondanza di RNA, per cui si presenta solitamente pi scuro rispetto al resto del nucleo. Diversamente da questultimo, il nucleolo non delimitato da una membrana (infatti ha contorni non definiti). Il nucleolo scompare durante la divisione cellulare (perch si ferma la sintesi di proteine ed RNA) e ricompare al termine di questa. Nel nucleolo, si distinguono:

- la zona granulare, cos chiamata per la presenza di piccoli granuli (di 15 nm). Essa essenzialmente costituita dalle due subunit dei ribosomi in via di maturazione (non ancora associati a proteine).

- la zona fibrillare densa, dove ci sono sottili fibrille (di 3-5 nm). Essa formata dagli RNA appena trascritti.

- la zona organizzatrice del nucleolo che contiene le sequenze di DNA che codificano per gli rRNA.


A

G

P

T

C

guanina

citosina

adenina

timinadesossiribosio

Basi azotate

U uracile

ribosio

Zuccherifosfato

O

OH

C

H

H

C

H

H

C

OH

H

HO-C-H

C

H

5

1

23

4

O

OH

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

HO-C-H

C

H

5

1

23

4

P G

nucleotide

Funzioni Le principali funzioni del nucleo sono le seguenti:

conservare tutte le informazioni genetiche ereditarie;

duplicare le informazioni genetiche e dividerle nelle cellule figlie;

gestire i processi metabolici delle cellule.

Variazioni numeriche del nucleo Normalmente, le cellule eucariote hanno un solo nucleo. Tuttavia, ci sono condizioni particolari in cui il nucleo pu essere pi di uno o mancare del tutto.

Cellule con pi nuclei (polinucleate), tra cui si distinguono:

- Sincizi, cellule polinucleate derivanti dalla fusione di cellule normali. Un tipico esempio sono le fibre muscolari scheletriche, gli osteoclasti, le cellule giganti da corpo estraneo (numerosi macrofagi fusi tra loro, in grado di fagocitare corpi molto grandi estranei o di tessuti necrotici).

- Plasmodi, invece, sono cellule in cui le divisioni nucleari non sono seguite dalla divisione citoplasmatica. Ne sono un esempio alcuni epatociti o alcune cellule degli epiteli di transizione (vescica).

Cellule senza nucleo (anucleate), sono rappresentate da:

- eritrociti (globuli rossi) dei mammiferi, che servono a trasportare lossigeno nel sangue. In seguito al loro differenziamento perdono il nucleo perch il loro unico scopo quello di trasportare i gas coinvolti nella respirazione. I globuli rossi degli uccelli, degli anfibi, dei rettili e dei pesci sono, invece, provvisti del nucleo.

- piastrine, elementi del sangue che servono a formare il coagulo (una struttura che serve a bloccare la fuoriuscita di sangue quando c una lesione ad un vaso sanguigno)

Proprio perch sono senza nucleo, sia eritrociti che piastrine non vengono definiti cellule del sangue, ma elementi corpuscolati.

Struttura degli acidi nucleici Gli acidi nucleici (DNA ed RNA) sono molecole che hanno come unit di base il nucleotide (desossiribosio/ribosio + fosfato + base azotata). Le basi azotate degli acidi nucleici sono adenina, timina, citosina, guanina e uracile (che sostituisce la timina nellRNA). Esse sono classificate in purine e pirimidine: le purine (adenina e guanina) sono formate da due anelli aromatici condensati, mentre le pirimidine (timina, citosina, uracile) sono formate da un unico anello. Dal nucleotide deriva il nucleoside, che il nucleotide privato del gruppo P (quindi desossiribosio/ribosio + base azotata). I nucleotidi, oltre ad essere lunit base degli acidi nucleici, possono svolgere anche funzioni molto importanti. Ad esempio, il cAMP (adenina + ribosio + fosfato) svolge un ruolo importantissimo nel ciclo cellulare. Inoltre, altri nucleotidi, con laggiunta di ulteriori gruppi fosfati, hanno importanti impieghi: ad esempio, lATP o il GTP (come lATP, ma con la guanina al posto dell adenina), sono importanti molecole di riserva energetica nella cellula.

DNA Il DNA (Deoxy-ribo-Nucleic Acid = acido desossi-ribo-nucleico) un lungo filamento, con un diametro di 2 nm ed una lunghezza di oltre 2 metri (nelluomo), costituito da due catene antiparallele (cio, orientate in senso opposto), avvolte a doppia elica.


la molecola depositaria delle informazioni. Nel DNA, c scritto tutto ci che lorganismo deve fare, anche quando deve morire. Dal DNA, inoltre, provengono le informazioni che permettono ai ribosomi di sintetizzare le proteine. importante notare che tutte le cellule di uno stesso organismo possiedono lo stesso DNA. Questo poi, a seconda della sua espressione, determina funzioni diverse: ad esempio, una cellula del cuore e una dello stomaco hanno lo stesso DNA, ma espresso in maniera diversa e per questo hanno funzioni diverse.

Struttura Ciascuna delle due catene del DNA formata dalla ripetizione di nucleotidi, aventi come zucchero il desossiribosio. Il desossiribosio di un nucleotide si lega al fosfato del nucleotide che lo precede e al fosfato del nucleotide che segue. La ripetizione zucchero-fosfato-zucchero-fosfato genera lo scheletro (backbone) del DNA. I due scheletri si avvolgono a spirale tra di loro, con andamento destrorso (come se fosse un cavatappi che va verso destra). Questo tipo di avvolgimento determina la comparsa di due solchi tra i due filamenti: un solco maggiore e un solco minore. Un avvolgimento completo delle due eliche lungo circa 3,4 nm. Le basi azotate sporgono dallo scheletro e si legano a quelle del filamento opposto in maniera complementare (citosina-guanina, timina-adenina). Il legame tra le basi azotate un legame ad idrogeno1 ed questo legame che tiene assieme le due catene del DNA.

Spiralizzazione del DNA Il DNA si presenta spiralizzato. Il grado di spiralizzazione basso quando la cellula non deve riprodursi (interfase), mentre diventa notevole nella fase di divisione cellulare. In questa fase, il grado di spiralizzazione tale da formare delle strutture ben individualizzabili, dette cromosomi. La spiralizzazione del DNA si concretizza attraverso 5 livelli:

1. La molecola del DNA (2 nm di diametro) si attorciglia, compiendo 2 giri, attorno ad 8 proteine dette istoni. Gli istoni sono proteine che permettono la spiralizzazione del DNA. Il ruolo degli istoni non solo quello di compattare il DNA per consentire alle cellule di conservarlo in un volume ristretto come quello del nucleo. Gli istoni sono anche coinvolti nella regolazione genica facilitando, ad esempio, la trascrizione di un gene oppure contribuendo alla sua inibizione. A questo livello, entrano in gioco 4 tipi di istoni: H2a, H2b, H3 e H4. La struttura che ne risulta il nucleosoma (10 nm di diametro). Pi nucleosomi assieme formano una struttura a collana di perle.

2. Unulteriore compattamento della cromatina lo si ha grazie agli istoni H1, disposti lungo il tratto di DNA che separa i vari nucleosomi. Questi istoni si uniscono tra di loro in numero di 6. Grazie a questa unione, il DNA assume una forma pi compatta, a solenoide. Le fibre derivanti sono dette fibre solenoidi (di 30 nm di diametro).

3. Le fibre solenoidi si ripiegano a formare numerose anse che si inseriscono su di una impalcatura fatta da proteine diverse dagli istoni. Il filamento derivante detto fibra da 300 nm.

4. Le fibre da 300 nm, a loro volta, per effetto della spiralizzazione dellimpalcatura proteica formano delle spirali a rosetta del diametro di 700 nm. Si formano pertanto le fibre da 700 nm.

5. Infine, le fibre da 700 nm si organizzano a formare la struttura finale del cromosoma (che ha un diametro medio di 1400 nm e lunghezza variabile).

Livello 1

Livello 2

Livello 3

Livello 4

Livello 5


Ai vari gradi di spiralizzazione corrispondono stati di attivit diversi del DNA. Il grado di spiralizzazione 1 e 2 (nucleosomi e fibra solenoide) corrispondono alla eucromatina, condizione in cui il grado di spiralizzazione modesto ed il DNA pu essere trascritto. I gradi 3-4 corrispondono alla eterocromatina, cio grado di spiralizzazione notevole e DNA che non pu pi essere trascritto (e corrisponde ad un grado di condensazione 3).

Cromosomi I cromosomi sono delle strutture in cui il DNA al massimo grado di compattamento. Il numero di cromosomi caratteristico di ogni specie animale. Nelluomo ci sono 23 paia di cromosomi (22 + 1 coppia di cromosomi sessuali X e Y), quindi 46 cromosomi in totale. Di ciascuna coppia di cromosomi, uno dei due elementi ereditato dalla madre e laltro dal padre.

Struttura Nella cellula appena formata, ciascun cromosoma formato da un filamento di DNA avvolto a spirale, chiamato cromatide, che assume la forma di un bastoncello con una strozzatura al centro, il centromero. Su ogni cromatide, si distinguono:

- 2 bracci. Sono le due porzioni di cromatide divise dal centromero. Ogni cromatide ha un braccio corto, indicato come p (da petit=corto), e un braccio lungo, indicato come q (da queue=lungo).

- costrizione secondaria (solo in alcuni cromosomi). Si tratta di unulteriore strozzatura, come un secondo centromero. Questa regione la sede delle sequenze nucleotidiche che codificano lRNA ribosomale (rRNA). Nei cromosomi umani, la costrizione secondaria si trova sul braccio corto di tutti i cromosomi acrocentrici (vedi dopo). La porzione di cromosoma che sporge viene denominata satellite.

- telomero. Sono le estremit dei cromosomi. Sono formate da una sequenza (TTAGGG) ripetuta 2000 volte (nelluomo). Si tratta di regioni estremamente importanti, che svolgono 2 vitali funzioni:

o impediscono la fusione dei cromosomi (per esempio se due estremit cromosomiche si spezzano);

o svolgono il ruolo di marcatempo (cio conteggiano ed impongono il numero di volte in cui una cellula pu riprodursi).

Infatti, ogni volta che i cromosomi vengono duplicati nella divisione cellulare, i telomeri subiscono un accorciamento. Esiste, per, un enzima particolare, la telomerasi che provvede a riparare i pezzi che sono stati consumati durante la replicazione ripristinando, cos, le dimensioni originarie del telomero. Nel corso della vita la telomerasi scompare in quasi tutte le cellule somatiche e rimane solo nelle cellule staminali e in quelle germinali (spermatozoi, cellule uovo e loro progenitori). Pertanto, man mano che le cellule si replicano, si viene a determinare un accorciamento progressivo dei telomeri e, dopo un numero calcolabile di duplicazioni (50-70 nelle cellule umane), le cellule non riescono pi a duplicarsi e va incontro ad una fase di invecchiamento durante la quale, in a seguito della frammentazione e fusione dei cromosomi (caos genetico) e la cellula entra in apoptosi e muore.

Classificazione dei cromosomi I cromosomi vengono classificati sulla base di 3 criteri.

In base alle dimensioni. I cromosomi umani si suddividono in 23 tipi, indicati coi numeri 123. Il cromosoma umano pi grande (cromosoma 1) costituito da una molecola di DNA lunga 7.5 cm che si riduce a soli 10 m quando si spiralizza durante la divisione cellulare. Il pi piccolo il cromosoma 22.

In base alla forma. - metacentrici, che hanno il centromero posto a met e le due braccia di lunghezza uguale;


- submetacentrici, con il centromero posto in posizione non centrale e presenza di un braccio lungo ed uno corto; - telocentrici, che hanno il centromero posto allestremit ed uno dei due bracci quasi inesistente; - acrocentrici, con il centromero posto quasi allestremit e con uno dei due bracci che fa da satellite.

In base al bandeggio. Allinterno di ciascun cromosoma possibile, mediante particolari trattamenti chimici, individuare delle bande chiare e scure (bande cromosomiche) che riflettono il diverso grado di condensazione della cromatina. Ogni braccio del cromosoma suddiviso in regioni, classificate con numeri progressivi a partire dal centromero e andando verso le estremit dei bracci. Ciascuna regione riguarda un gruppo di bande. Allinterno di ciascuna regione vi , poi, una suddivisione in bande e sottobande, classificate anch'esse con numerazione che parte dal centromero. Ad esempio il gene della fibrosi cistica (CFTR) localizzato nella regione 3 (banda 1, sottobanda 2) del braccio lungo (q) del cromosoma 7 ed quindi individuato come 7q31.2 (quindi, il primo numero identifica il cromosoma, la lettera p o q il braccio, il secondo numero la regione, il terzo la banda e il quarto la sottobanda).

Unit di misure dei cromosomi e del DNA Le dimensioni dei cromosomi (e del DNA in generale) possono essere espresse in unit bp. Una unit bp (base pair) si riferisce ad una singola coppia di basi complementari (A-T o C-G) che si succedono nel filamento di DNA. Si usano, ovviamente, i multipli di tale unit come:

1 kbp = chilobase = mille basi

1 Mbp = megabase = un milione di basi

1 Gbp = gigabase = un miliardo di basi Le dimensioni dei cromosomi sono comprese in un intervallo di 50-280 Mbp ed il genoma umano contiene circa 3,2 Gbp.

I cromosomi sessuali Sono i due cromosomi che definiscono il sesso nellessere umano. Costituiscono la 23a coppia dei cromosomi e sono rappresentati dal cromosoma X e da quello Y. La combinazione XX da origine ad un individuo di sesso femminile mentre quella XY ad un individuo di sesso maschile. Nelle cellule somatiche degli individui di sesso femminile, uno dei due cromosomi X rimane spiralizzato anche durante linterfase (cio la fase di non divisione della cellula) e si localizza vicino alla membrana nucleare, e prende il nome di corpuscolo di Barr. Questo si rende visibile solo al termine della divisione cellulare (durante la metafase). Nei granulociti neutrofili, invece, il corpuscolo di Barr si rende manifesto, indipendentemente dalla fase di replicazione cellulare (quindi sempre), sotto forma di appendice del nucleo (una sorta di prolungamento di uno dei lobi del nucleo).

Cariotipo e corredo cromosomico Durante la fase di divisione cellulare, i cromosomi si duplicano ed assumono una forma a X, dovuta al fatto che in questa fase, ciascun cromosoma formato da due cromatidi identici, uniti tra loro per il centromero. Un cromatide andr in una delle due cellule figlie e laltro, nellaltra. Linsieme dei cromosomi di una cellula detto corredo cromosomico e la rappresentazione ordinata del corredo cromosomico detta cariotipo. Lordinazione dei cromosomi (per il cariotipo) viene fatta sulla base delle dimensioni, forma e bandeggio. In base alle caratteristiche, i cromosomi vengono suddivisi in 7 gruppi (A, B, C, D, E, F, G) + la coppia dei cromosomi sessuali. I cromosomi di una medesima coppia si dicono omologhi. Le cellule che hanno coppie di cromosomi omologhi sono dette diploidi (e si indicano con 2n), mentre sono definite aploidi (n) le cellule che presentano ununica serie di cromosomi, uno diverso dallaltro (per es. gli spermatozoi e lovocita). Quindi, con n si indica il numero di cromosomi di una singola serie. Le cellule diploidi sono tipiche degli organismi che si riproducono per via sessuale e le due serie di omologhi sono una di provenienza materna e laltra di provenienza paterna. Ogni specie presenta un corredo cromosomico caratteristico per forma e numero. Le cellule diploidi umane presentano 23 coppie di omologhi (46 cromosomi) e quindi n = 23.


Codice genetico Il codice genetico un linguaggio basato sulla sequenza dei nucleotidi (del DNA e dellRNA). Esso universale, cio uguale in tutti gli organismi viventi. Poich il nucleotide costituito solo da 3 elementi (lo zucchero, il gruppo fosfato e la base azotata) e poich lunico elemento variabile rappresentato dalla base azotata, ne deriva che lelemento determinante la sequenza del codice genetico la base azotata. Lunit base del codice genetico il codon (o tripletta), cio una sequenza di 3 nucleotidi (o basi azotate). Ogni codon, al momento della traduzione (il processo che porta alla formazione delle proteine) determina, la sintesi di 1 aminoacido. Essendo le basi azotate 4, ne deriva che il numero di possibili combinazioni 64 (cio, 43). Il numero di aminoacidi prodotti , per, solo 20. La discordanza tra il numero di possibili triplette (64) ed il numero di possibili aminoacidi prodotti (20) dovuta al fatto che ciascun aminoacido (con leccezione della metionina e del triptofano) prodotto da pi combinazioni e che ci sono combinazioni che non producono aminoacidi ma che hanno significati particolari: ad esempio, ci sono alcune triplette dette di start o stop che non codificano per alcun amminoacido, ma servono, al momento della traduzione, come segnali di inzio/fine traduzione. Nonostante luniversalit del codice genetico, alcune triplette possono avere significati diversi nei diversi organismi: ad esempio, la tripletta UAG, che nelluomo un segnale di stop nella traduzione, in alcuni organismi codifica per la glutammina.

Duplicazione del DNA La duplicazione (o replicazione) il meccanismo attraverso cui il DNA produce una copia di s. Ogni volta che una cellula si divide, l'intero genoma deve essere duplicato per poter essere trasmesso (tramite mitosi o meiosi) alle cellule figlie. Il meccanismo della replicazione complesso e richiede l'intervento di numerosi fattori.

Fasi della duplicazione

1. La duplicazione inizia in un ben preciso punto della molecola del DNA, detto punto di origine della replicazione, caratterizzato da una sequenza di nucleotidi che contengono molte basi AT (queste sequenze si aprono con relativa facilit). Negli eucarioti i punti di origine sono multipli (20-80, distanziati tra loro da 30-300.000 nucleotidi).

2. Nei procarioti, in corrispondenza di questa regione del DNA si legano circa 20 proteine, dette DNA-A. In seguito a ci, il DNA si avvolge attorno a queste, formando un anello (loop), con conseguente apertura della doppia elica, per un breve tratto. Negli eucarioti, il processo di inizio pi articolato e vede coinvolto un complesso di riconoscimento del punto di origine (ORC) ed una serie di altre proteine.

3. Sulla zona di apertura della doppia elica si innescano, da una parte e dallaltra, una molecola di elicasi, un enzima che separa i filamenti del DNA mediante rottura dei legami di idrogeno tra le basi azotate. Questo enzima avanza alla straordinaria velocit di circa 1000 nucleotidi al secondo ed utilizza lATP quale fonte di energia.

4. Lintervento della elicasi determina il distacco delle proteine del processo di inizio (DNA-A nei procarioti e ORC+altre proteine negli eucarioti) e laggancio di nuove proteine, dette proteine SSB (single strand binding = che si legano al singolo filamento). Queste proteine servono a distendere e far mantenere distaccati i due filamenti del DNA, per evitare che riformino lalfa-elica o che formino una forcina (che interromperebbe il processo di duplicazione).

5. Dopo lapertura del DNA, interviene la primasi, un enzima che, legato allelicasi ed attivato da questultima, sintetizza un piccolo frammento di RNA (primer), lungo 7-10 nucleotidi. Il primer ha un


terminale 3-OH che serve da innesco alla DNA-polimerasi (vedi dopo), per agganciarsi e copiare il filamento del DNA.

6. Lenzima deputato alla duplicazione del DNA la DNA-polimerasi III. Questo enzima, per, non in grado, da solo, di copiare il DNA e formare un nuovo filamento ma riesce solo ad allungare un filamento gi esistente (come il primer prodotto dalla primasi) che gli fornisca un 3-OH libero. Unaltra limitazione della DNA-polimerasi quella di poter procedere solo in direzione 53 e non in senso opposto (35) (N.B: la direzione riferita al frammento di DNA da sintetizzare e non a quello dorigine). La DNA-polimerasi III dotata di proof-reading, attraverso il quale lenzima esercita un controllo dei nucleotidi sintetizzati. Negli eucarioti opera una sola DNA-polimerasi III per il filamento leading e diverse DNA-polimerasi III per la duplicazione del filamento lagging e precisamente, una per ogni loop formato (vedi dopo).

7. I vincoli imposti dalla DNA-polimerasi III complicano notevolmente il processo di replicazione del DNA. Infatti, mentre su uno dei due filamenti (quello posto in direzione 35 e chiamato leading) la sintesi avviene in maniera continuativa (cio, senza interruzioni), sullaltro filamento (quello posto in direzione 53 e chiamato lagging) essa avviene in maniera discontinuativa, cio attraverso la formazione di piccole catene di DNA (di 100-200 nucleotidi), dette frammenti di Okazaki.

8. Inoltre, le due DNA-polimerasi III si muovono nella stessa direzione (assieme alla elicasi). Per cui, la sintesi contemporanea dei due filamenti, in direzione 53, pu avvenire solo grazie alla formazione di unansa (loop) da parte del filamento lagging.

9. Un complesso proteico (clamp = morsetto, fascetta) interviene per stabilizzare il legame della DNA-Polimerasi III col filamento del DNA. Ci sono due clamp diversi, uno per la DNA-Polimerasi III del filamento leading ed uno per quella del filamento lagging. Entrambi sono tenuti assieme da una proteina di sostegno (clamp loader = caricatore di morsetti) ed questo il motivo principale per il quale le due DNA-Polimerasi III si muovono nella stessa direzione.

10. Successivamente, i primer di RNA vengono elimanti da un enzima chiamato RNAsi-H e sostituiti da frammenti di DNA ad opera della Polimerasi I che, come la Polimerasi III, si muove in direzione 53 (e solo in questa) ed ha bisogno di un aggancio 3-OH per poter operare. La DNA-polimerasi I del segmento leading sempre la stessa mentre quella per il frammento lagging cambia per ogni nuovo frammento di Okazaki (a causa del loop).

11. Il primer dellestremit 5 non pu essere sostituito dalla DNA-polimerasi I perch non avrebbe nessun aggancio 3OH su cui innestarsi. In realt, il primer 5 terminale corrisponde alla sequenza nucleotidica dei telomeri (TTAAGGG). Pertanto, in questo caso si verifica una duplice eventualit. Specificatamente

a. nelle cellule somatiche, esso non viene sostituito da un equivalente frammento di DNA, per cui il DNA neo-sintetizzato si accorcia di un po;

b. nelle cellule germinali, invece, il primer in posizione 5-terminale viene sostituito dalla Telomerasi (un enzima particolare capace di sintetizzare DNA partendo da una sequenza interna di RNA e per questo una trascriptasi inversa). Tutto questo spiega perch nelle cellule somatiche i telomeri si accorciano ad ogni replicazione mentre nelle cellule germinali no ( in quanto le prime non sono dotate dellenzima telomerasi mentre quelle germinali ne sono provviste).


12. Infine, i neo-filamenti di DNA vengono saldati tra loro dalla ligasi.

13. Un ruolo importante nella replicazione del DNA ce lhanno le Topoisomersi. Infatti, lo svolgimento della doppia elica da parte dellelicasi porta il DNA a valle dellapertura ad attorcigliarsi notevolmente e a formare delle anse secondarie tanto da creare problemi per lintero processo di replicazione. A far fronte a questo problema ci pensano le Topoisomerasi I e II.

La Topoisomerasi I agisce su uno dei due filamenti del DNA, rompendo una sola delle catene del DNA. Poi, ruota la catena interrotta attorno a quella integra (per disattorcigliare il DNA a valle) ed infine riunisce nuovamente le estremit interrotte. Il punto dellinterruzione il legame tra gruppo fosfato e desossiribosio; sia la rottura che la successiva cucitura avvengono senza dispendio di energia (conservando lenergia del legame tra gruppo fosfato e desossiribosio e cedendola al momento della cucitura).

La Topoisomerasi II, invece, agisce su entrambi i filamenti del DNA, effettuando dapprima un legame covalente con essi, poi un taglio transitorio di entrambe le catene ed infine una ricucitura. La topo isomerasi II interviene nelle anse secondarie del DNA. Attraverso il doppio taglio dei due filamenti di DNA di uno dei due rami dellansa, fa passare laltro ramo dellansa attraverso linterruzione e svolge cos lansa. Il tutto richiede 2 molecole di ATP.

Caratteristiche generali della duplicazione Tre importanti caratteristiche del processo di duplicazione del DNA sono le seguenti:

un processo bidirezionale (cio avviene in entrambe le direzioni);

un processo di tipo semiconservativo (cio, le molecole "figlie" consistono ognuna di un filamento di DNA della molecola "madre" e di un filamento di nuova sintesi);

un processo estremamente preciso (la DNA-polimerasi fa un errore ogni miliardo di basi sintetizzate).

un processo rapido (50 nt/sec). Nota: Oltre alla DNA polimerasi I e III, ci sono anche le DNA polimerasi II, IV e V che intervengono per riparare il DNA (per esempio piccoli buchi che bloccherebbero la DNA polimerasi III).

Biologia 11- Materiale Genetico e Sue Proprietà

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