Citologia 16 - DNA e Cromosomi

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  • 1 Citologia 16 DNA e cromosomi

    Citologia 16 DNA e cromosomi Struttura degli acidi nucleici Gli acidi nucleici (DNA ed RNA) sono molecole che hanno come unit di base il nucleotide (de-sossiribosio/ribosio + fosfato + base azotata). Le basi azotate degli acidi nucleici sono adenina, ti-mina, citosina, guanina e uracile (questultima sostituisce la timina nellRNA). Le basi sono classificate in purine e pirimidine: le

    Purine (adenina e guanina): formate da due anelli condensati

    Pirimidine (timina, citosina, uracile): formate da un unico anello.

    Dal nucleotide deriva il nucleoside, che il nu-cleotide privato del gruppo P (quindi desossiri-bosio/ribosio + base azotata). I nucleotidi, oltre ad essere lunit base degli acidi nucleici, possono svolgere anche funzioni molto impor-tanti. Ad esempio, il cAMP (adenina + ribosio + fosfato) svolge un ruolo importantissimo nel ciclo cellulare. Altri nucleotidi, con laggiunta di ulteriori gruppi fosfato, hanno importanti impieghi: ad esempio, lATP o il GTP (guanosin-trifosfato), 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 ol-tre 2 m (nelluomo), costituito da2 catene antiparallele (cio orien-tate in senso opposto), avvolte a doppia elica. la molecola depositaria delle informazioni genetiche dellindivi-duo. Tutte le cellule di uno stesso organismo possiedono lo stesso DNA. Il DNA, 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 que-sto hanno funzioni diverse.

    Aadenina

    DNA

    RNA

    Gguanina

    C citosina

    T timina

    A adenina

    G guanina

    C citosina

    U uracile

    Base Zucchero

    H

    C

    OH

    ribosio

    H

    C

    OH

    ribosio

    H

    C

    OH

    ribosio

    H

    C

    OH

    ribosio

    H

    C

    H

    desossir.

    H

    C

    H

    desossir.

    H

    C

    H

    desossir.

    H

    C

    H

    desossir.

    Nucleoside

    AH

    C

    OH

    GH

    C

    OH

    GH

    C

    H

    CH

    C

    H

    UH

    C

    H

    AH

    C

    H

    TH

    C

    OH

    CH

    C

    OH

    desossiadenina

    desossiguanina

    desossicitidina

    desossitimidina

    adenosina

    guanosina

    citidina

    uridina

    P AH

    C

    OH

    P GH

    C

    OH

    P GH

    C

    H

    P CH

    C

    H

    P UH

    C

    H

    P AH

    C

    H

    P TH

    C

    OH

    P CH

    C

    OH

    dAMP

    dCMP

    AMP

    GMP

    CMP

    UMP

    dTMP

    dGMP

    P AH

    C

    OH

    dADPP

    P GH

    C

    OH

    dGDPP

    P CH

    C

    OH

    dCDPP

    P TH

    C

    OH

    dTDPP

    P AH

    C

    H

    ADPP

    P GH

    C

    H

    GDPP

    P CH

    C

    H

    CDPP

    P UH

    C

    H

    UDPP

    P P AH

    C

    OH

    dATPP

    P P GH

    C

    OH

    dGTPP

    P P CH

    C

    OH

    dCTPP

    P P TH

    C

    OH

    dTTPP

    P P GH

    C

    H

    GTPP

    P P CH

    C

    H

    CTPP

    P P UH

    C

    H

    UTPP

    Nucleotide

    P P AH

    C

    H

    ATPP

    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

  • 2 Citologia 16 DNA e cromosomi

    Struttura Ciascuna delle due catene del DNA formata dalla ripetizione di nucleotidi. Il desossiribosio di un nucleotide si lega al gruppo fosfato del nucleotide che lo precede e al fosfato del nu-cleotide 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. Questo tipo di avvolgimento de-termina la comparsa di due solchi tra i due filamenti: un solco maggiore e un solco minore. Un avvolgimento completo delle due eliche (passo) 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 di-venta notevole nella fase di divisione cellu-lare. In questa fase, il DNA si spiralizza in strutture ben individualizzabili, dette cro-mosomi. La spiralizzazione del DNA si con-cretizza attraverso 5 livelli:

    1. La molecola del DNA (2 nm di dia-metro) si attorciglia, compiendo 2 giri attorno ad 8 proteine dette istoni. Gli istoni compattano il DNA per consentire alle cellule di con-servarlo in un volume ristretto come quello del nucleo e sono coinvolti nella regolazione genica facilitando, ad esempio, la trascri-zione di un gene oppure contri-buendo alla sua inibizione. In questo livello, entrano in gioco 4 tipi di istoni: H2a, H2b, H3 e H4. La struttura che ne risulta il nucleo-soma (10 nm di diametro). Pi nu-cleosomi assieme formano una struttura a collana di perle.

    2. Un ulteriore compattamento della cromatina si ha grazie agli istoni H1, disposti lungo il tratto di DNA che separa i vari nucleosomi. Que-sti 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 (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.

    1 Il legame a idrogeno un tipo di legame chimico che avviene tra lidrogeno (H) e un elemento molto elettronegativo, come ossigeno (O), azoto (N) e fluoro (F). Si tratta di un legame pi debole rispetto ai legami covalenti normali. La sua forza sta nel numero: infatti i legami idrogeno sono, di solito, molti. A livello del DNA, si formano 2 legami a idrogeno tra adenina e timina e 3 legami a idrogeno tra citosina e guanina.

    Livello 1

    Livello 2

    Livello 3

    Livello 4

    Livello 5

  • 3 Citologia 16 DNA e cromosomi

    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).

    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 spira-lizzazione 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 cromo-soma formato da un filamento di DNA av-volto a spirale, chiamato cromatide, che as-sume la forma di un bastoncello con una stroz-zatura al centro, il centromero. Su ogni croma-tide, si distinguono:

    2 bracci: le due porzioni di cromatide divise dal centromero. Ogni cromatide ha un braccio corto, indicato come p (da petit=corto), e un braccio lungo 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 por-zione 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 impor-tanti, che svolgono 2 vitali funzioni:

    Impediscono la fusione dei cromosomi (per esempio se due estremit cro-mosomiche si spezzano);

    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 cellu-lare, i telomeri subiscono un accorciamento. Esiste un enzima particolare, la telomerasi che provvede a riparare i pezzi che sono stati consumati du-rante la replicazione ripristinando, cos, le dimensioni originarie del telo-mero. Nel corso della vita la telomerasi scompare in quasi tutte le cellule somatiche e rimane solo nelle cellule staminali e in quelle germinali (sper-matozoi, cellule uovo e loro progenitori). Man mano che l