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

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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 le cellule si replicano, si viene a determinare un accorcia-mento progressivo dei telomeri e, dopo un numero calcolabile di duplicazioni (50-70 nelle cellule umane), le cellule non riescono pi a duplicarsi e vanno incontro ad una fase di invec-chiamento durante la quale, in a seguito della frammentazione e fusione dei cromosomi (caos genetico), la cellula entra in apoptosi e muore.

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

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Dimensioni: cromosomi umani si suddividono in 23 tipi, indicati coi numeri 1-23. Il cromo-soma umano pi grande (cromosoma 1) co-stituito 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.

Forma Metacentrici: il centromero in posi-

zione pi o meno centrale Submetacentrici (o acrocentrici): il

centromero spostato verso unestre-mit

Telocentrici: il centromero posto allestremit. Questo centromero non presente nelluomo e la sua esistenza controversa.

Bandeggio: allinterno di ciascun cromosoma possibile, mediante particolari trattamenti chimici, individuare delle bande chiare e scure (bande cromosomiche) che riflettono il diverso grado di con-densazione della cromatina.

Ogni braccio del cromosoma suddiviso in regioni, classificate con numeri progressivi a par-tire dal centromero e andando verso le estremit dei bracci.

La regione suddivisa in bande e sottobande, classificate con numerazione che parte dal centromero.

Ad esempio il gene della fibrosi cistica (CFTR) localizzato nella regione 3 (banda 1, sotto-banda 2) del braccio lungo (q) del cromosoma 7 ed quindi individuato come 7q31.2 (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. Cromosomi sessuali Sono i due cromosomi che definiscono il sesso nellessere umano. Costituiscono la 23 coppia di cromosomi e sono rappre-sentati dal cromosoma X e da quello Y. La combinazione XX d origine ad un indi-viduo di sesso femminile; 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 lin-terfase (cio la fase di non divisione della cellula) e si localizza vicino alla membrana

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nucleare, e prende il nome di corpuscolo di Barr. Questo si rende visibile solo al termine della divisione cel-lulare (durante la metafase). Nei granulociti neutrofili, invece, il corpuscolo di Barr si rende manifesto, indi-pendentemente 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 cromo-somi 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 rappresen-tazione 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), pi 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 sessuata 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. Cenni sul codice genetico Il codice genetico una sorta di linguaggio basato su una particolare sequenza dei nucleotidi (del DNA e dellRNA). universale, uguale in tutti gli organismi viventi. Poich il nucleotide costituito solo da 3 elementi (zucchero, gruppo fosfato e base azotata) e poich lunico elemento variabile la base azotata, lelemento determinante la sequenza del codice genetico proprio 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 (processo che porta alla formazione delle proteine), determina la sintesi di 1 amminoacido. Essendo le basi azotate 4, le possibili combinazioni sono 64 (cio, 43). Il numero di amminoacidi prodotti , per, solo 20. La discordanza tra il numero di possibili triplette (64) ed il numero di possibili amminoacidi prodotti (20) dovuta al fatto che ciascun amminoacido (con leccezione della metionina e del triptofano) prodotto da pi combinazioni e che ci sono combinazioni che non producono amminoacidi ma che hanno significati partico-lari: 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 or-ganismi: ad esempio, la tripletta UAG, che nelluomo un segnale di stop nella traduzione, in alcuni organismi codifica per la glutammina.

Corredo cromosomico Cariotipo

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