Qualsiasi cellula, unità vivente, contiene una informazione ereditabile, scritta nel suo DNA ed organizzata in unità di informazione, chiamati geni.

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1 I CROMOSOMI E LA MITOSI Introduzione Ogni cellula ha origine da una cellula preesistente, mediante un processo di divisione cellulare. In questo modo, gli organismi unicellulari procarioti ed eucarioti si riproducono, mentre gli organismi pluricellulari, oltre a riprodursi, sono in grado di riparare i loro tessuti, di crescere e di svilupparsi. Qualsiasi cellula, unità vivente, contiene una informazione ereditabile, scritta nel suo DNA ed organizzata in unità di informazione, chiamati geni. Quando una cellula procariote, ma soprattutto eucariote si divide, deve affrontare un difficile problema: trasmettere l enorme quantità di informazione genetica alle cellula figlie, senza commettere errori o danneggiare irrimediabilmente il filamento di DNA, che essendo enormemente lungo può facilmente aggrovigliarsi e rompersi. Il materiale genetico nel nucleo di una cellula eucariote deve quindi essere precisamente impacchettato prima di essere consegnato alla cellule figlie. E ciò avviene mediante l intervento di speciali molecole proteiche, come gli istoni e le proteine dell impalcatura (scaffold). L insieme delle trasformazioni a cui una cellula eucariote va incontro durante il processo di divisione, prende il nome di mitosi. Alla mitosi segue poi una fase di citocinesi, in cui una cellula che ha diviso il proprio materiale genetico (nucleo) da origine a due cellule figlie. In questi appunti non si prende in considerazione la divisione delle cellule procarioti (scissione binaria), che sarà trattata in altra occasione. I CROMOSOMI DEGLI EUCARIOTI Nelle cellule eucarioti, durante la mitosi sono ben visibili i cromosomi. Essi sono corpuscoli nucleoproteici, cioè formati da una molecola di acido nucleico (DNA) e proteine. Il termine cromosoma vuol dire corpo colorato. Tuttavia i cromosomi, sono privi di colore ed il loro nome mette in evidenza la loro capacità a colorarsi in presenza di certi tipi di colorante (sostanze acidofile come eosina e giemsa). Il costituente dei cromosomi si chiama cromatina che è formata appunto a DNA (acido desossiribonucleico) e proteine. Quando la cellula non è in divisione, la cromatina è parzialmente despiralizzata e i singoli cromosomi sono aggregati l uno all altro all interno del nucleo che appare quindi uniforme se osservato al microscopio ottico e granulato se osservato al microscopio elettronico. L insieme dei cromosomi di un organismo è detto genoma di quell organismo. In altre parole, il genoma è l intera informazione genetica di un organismo vivente, cioè l insieme Prof. Fulvio Baldanza Pagina 1

2 di tutti i suoi geni. I geni quindi risiedono nei cromosomi. Un genoma può essere costituito da migliaia di geni. Di recente, il Progetto Genoma Umano ha stimato in il numero di geni che formano il genoma dell uomo: molto minore del numero di geni contenuti nel genoma del moscerino della frutta (Drosophila melanogaster). Quindi: IL DNA DI UN ORGANISMO E ORGANIZZATO IN UNITA DI INFORMAZIONE CHIAMATE GENI Ma cosa è un gene? Un gene può essere definito come un frammento di DNA con specifiche e determinate proprietà funzionali. In pratica, un gene fornisce l informazione necessaria allo svolgimento di una o più funzioni all interno della cellula. In definitiva, un gene è responsabile di una o più caratteristiche di un organismo. La quantità di DNA presente in una cellula è enorme. Ad esempio, una singola cellula batterica, contiene un unica molecola di DNA formata da ben 4x10 6 coppie di basi. Linearizzando questa molecola, essa sarebbe lunga più di un millimetro (basta moltiplicare il numero di coppie di basi per la distanza tra due coppie di basi ne l genoma: 4x10 6 x 3,4 Å = 1,36mm). In una cellula eucariote è presente mediamente una quantità circa 1000 volte maggiore a quella di una cellula batterica. Il DNA di un singolo spermatozoo umano, contiene circa 3x10 9 coppie di basi che stese in linea retta raggiungerebbero la ragguardevole lunghezza di oltre di un metro! Per compattare in modo altamente organizzato tutto questo DNA, la cellula si serve di speciali proteine chiamate istoni, composte da amminoacidi basici che nelle loro catene laterali presentano cariche positive in grado di legarsi al filamento di DNA che invece è carico negativamente per la presenza dei gruppi fosfato. Gli istoni si aggregano in gruppi di 8 a formare un ottamero e intorno a ciascun gruppo si avvolge un segmento di DNA composto da 146 coppie di basi In questo modo si formano delle strutture chiamate nucleosomi. I nucleosomi sono legati insiene da corte sequenze di DNA linker o DNA di giunzione. Più nucleosomi con i loro DNA linker, somigliano, visti al microscopio elettronico, a delle collane di perle: Prof. Fulvio Baldanza Pagina 2

3 La doppia elica di DNA, spessa 2nm, avvolta a formare i nucleosomi, raggiunge lo spessore di 11nm. Le varie perle nucleosomiche, si assemblano tra di loro mediante un quinto tipo di proteina istonica chiamata proteina H1 che, legandosi al DNA linker fa da ponte fra due nucleosomi consecutivi. In questo modo si forma una fibra di DNA dello spessore di 30nm. A sua volta, questa fibra si lega ad una impalcatura proteica (scaffold), formando una serie di anse. Questo sistema di anse, altamente organizzato, raggiunge lo spessore di 300nm. A questo punto, il DNA, ormai già fortemente condensato, continua ad avvolgersi in una struttura dello spessore di 700nm, a formare un intero cromosoma ormai completamente condensato. Tutti gli individui di una data specie possiedono, nelle loro cellule, uno stesso numero di cromosomi. Gli esseri umani hanno tutti normalmente 46 cromosomi. Alcuni granchi hanno fino a 200 cromosomi, mentre una specie di anellidi ne possiede soltanto due. Anche negli organismi vegetali i numeri cromosomici sono molto variabili. Ad esempio, l ulivo ha come l uomo, 46 cromosomi, ma in alcune felci, si superano le mille unità. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 3

4 I CROMOSOMI DI SPECIE DIVERSE, DIFFERISCONO NEL NUMERO, NELLA FORMA E NEL CONTENUTO DI GENI Si definisce ciclo cellulare, l intervallo di tempo che intercorre dalla nascita di una cellula al momento in cui essa si riproduce. La durata del ciclo cellulare è in genere molto variabile e dipende non solo dal tipo di cellula, ma anche dalle condizioni ambientali in cui essa cresce. Una cellula procariote, in presenza di abbondanti sostanze nutritive ed alla giusta temperatura, si divide mediamente ogni 20 minuti. Negli eucarioti, il ciclo cellulare è di più lunga durata: in genere compresa tra le 8 e le 20 ore. Va comunque sottolineato che ci sono cellule che smettono del tutto di dividersi. Un tipico ciclo cellulare di un eucariote, può essere schematicamente suddiviso in due fasi principali: l interfase e la fase M. La fase M è la fase di divisione cellulare è può a sua volta essere distinta in mitosi e citocinesi. Durante la mitosi, come vedremo, il materiale genetico della cellula madre viene diviso equamente in due nuclei. Nella fase di citocinesi, che comincia prima del completamento della mitosi, si divide il citoplasma della cellula madre in modo che si formino due cellule figlie con uguale corredo genetico (genoma). In alcune linee cellulari, si possono verificare Prof. Fulvio Baldanza Pagina 4

5 più eventi mitotici ciascuno non seguito da citocinesi. In questo modo si formano cellule polinucleate tipiche i alcuni tipi di cellule. Il periodo di interfase, è, come si vede nel diagramma precedente, a sua volta suddiviso in una fase G 1 (G sta per gap, cioè intervallo) in cui la cellula si accresce e aumenta il numero di organuli citoplasmatici, a cui fa seguito una fase S di sintesi durante la quale avviene la replicazione del materiale genetico. Completata la sintesi del DNA la cellula entra in fase G 2, di preparazione alla divisione cellulare. In questa fase si assiste ad un incremento della sintesi proteica. Alcune cellule, come i neuroni, non si dividono e si arrestano in fase G 1 che in questi casi prende nome di fase G 0 Con la fase G 2 ha termine l interfase ed inizia la divisione cellulare. La mitosi, che ha inizio dopo la fase G2, viene schematicamente distinta in 4 fasi principali: PROFASE METAFASE ANAFASE TELOFASE PROFASE La membrana nucleare inizia a scomparire, mentre al suo interno i cromosomi, gia duplicati durante la fase S iniziano a condensare. Il nucleolo scompare. Ogni cromosoma, è composto da due unità identiche chiamate cromatidi fratelli, uniti in corrispondenza di una regione chiamata centromero. Il centromero è formato da specifiche sequenze di DNA associate a proteine. Inoltre, al centromero è associato un complesso proteico che prende il nome di cinetocore, importante Prof. Fulvio Baldanza Pagina 5

6 nella migrazione di ciascun cromatidio durante l anafase, ad opera delle proteine microtubulari. Ecco un disegno schematico dell aspetto di una cellula in profase: Inoltre, i due centrioli, duplicati in interfase, formano due coppie che migrano ai due poli della cellula e prendono parte alla organizzazione del fuso mitotico: una gabbia proteica composta di microtubuli entro la quale avviene la migrazione dei cromosomi ai poli opposti del fuso. L organizzazione del fuso non è stata ancora compresa in dettaglio, ed esistono differenze tra cellule animali e vegetali. In entrambe, a ciascun polo è presente una zona che prende nome di centro organizzatore dei microtubuli (MTOC in lingua inglese), dal quale partono le fibre microtubulari del fuso. Nelle cellule animali, il MTOC è organizzato in un centrosoma e contiene una coppia di centrioli circondati da una regione definita sostanza pericentriolare. Nelle cellule vegetali, mancano i centrioli e il MTOC appare privo di struttura. Al termine della profase, ogni cromatidio si lega ad alcune fibre del fuso mediante il proprio cinetocore, mentre, dalla sostanza pericentriolare si irradiano una serie di microtubuli che conferiscono un aspetto stellato allaregione che prende nome di aster. Ecco uno schema che illustra l aspetto di una cellula in profase avanzata: Prof. Fulvio Baldanza Pagina 6

7 METAFASE I cromosomi dicromatidici, ormai ben visibili e distinguibili al microscopio ottico, si dispongono allineati lungo il piano equatoriale del fuso, formando la cosiddetta piastra metafasica. Ciascun cromatidio è legato mediante alcune fibre microtubulari, ad un polo della cellula. Le fibre si distinguono in microtubuli polari, che si sovrappongono parzialmente in prossimità dell equatore, e microtubuli del cinetocore dette anche fibre cromosomiche del fuso che si legano a ciascun cromatidio: ANAFASE I cromatidi fratelli si separano in seguito alla replicazione delle sequenze del DNA centromerico. A questo punto ogni cromatidio è un cromosoma. I cromosomi fratelli neoformati migrano durante l anafase, verso i poli opposti del fuso, trascinati dai Prof. Fulvio Baldanza Pagina 7

8 microtubuli del cinetocore che si accorciano. Essi infatti sono strutture dinamiche e durante l anafase, in prossimità di ciascun cinetocore vengono sottratte subunità di tubulina alle fibre che in tal modo si accorciano. Inoltre, in questa fase, il fuso mitotico subisce un allungamento a causa dello scorrimento dei microtubuli polari, in corrispondenza delle sovrapposizioni equatoriali. TELOFASE I cromosomi monocromatidici giungono ai poli opposti del fuso mitotico e iniziano a decondensarsi despiralizzandosi, riappare la membrana nucleare intorno ad ogni set di cromosomi e cominciano a riorganizzarsi le regioni dei nucleoli. Il fuso mitotico scompare. CITOCINESI Verso la fine della mitosi inizia a dividersi anche il citoplasma. Nelle cellule animali in prossimità della regione equatoriale e perpendicolarmente al fuso, si forma un anello di microfilamenti di actina, che circonda la cellula. La contrazione di questo anello determina una strozzatura del citoplasma che assume una vaga forma a clessidra, e alla fine si divide completamente. Nelle cellule vegetali, dotate di parete rigida, la citocinesi avviene in seguito alla formazione di una piastra cellulare, per fusione, nella zona equatoriale, di una serie di vescicole prodotte dall apparato di Golgi. Il materiale fuoriuscito dalle vescicole andrà a formare parte della nuova parete, mentre le membrane delle vescicole formeranno la nuova membrana plasmatica. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 8

9 L immagine precedente rappresenta schematicamente, la telofase e la citocinesi in cellule animali, mentre quella seguente mostra la telofase in atto nelle cellule vegetali: Vale la pena di sottolineare ancora una volta, che il sofisticato meccanismo mitotico consente alle due cellule figlie di ottenere esattamente lo stesso numero di cromosomi e quindi la stessa informazione genetica. Errori durante la mitosi portano a corredi cromosomici sbilanciati e di conseguenza a cellule con una funzionalità gravemente compromessa o non vitali. Durante la citocinesi avviene la distribuzione alle cellule figlie anche degli organuli e strutture citoplasmatiche, come mitocondri, ribosomi e nelle cellule vegetali, cloroplasti. L aumento del numero di questi organuli avviene durante la fase di accrescimento G 1. In particolare, i mitocondri e i cloroplasti sono dotati di un loro filamento di DNA (DNA mitocondriale e DNA cloroplastidiale) e durante la fase G 1 questi organuli si dividono con un meccanismo di scissione binaria del tutto simile a quello dei batteri. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 9

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