E noto che gli organismi viventi sono costituiti da cellule e che: La cellula è l unità fondamentale dei viventi. Tuttavia questa asserzione riguarda

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1 LA CELLULA E noto che gli organismi viventi sono costituiti da cellule e che: La cellula è l unità fondamentale dei viventi. Tuttavia questa asserzione riguarda l inizio dei ragionamenti che hanno portato alla teoria cellulare. La cellula è stata intesa per lungo tempo, nel senso classico, provvista di un nucleo, senza considerare diverse eccezioni che riguardano cellule plurinucleate (fibre muscolari, elementi dei canali secretori, ife, ecc.) o strutture derivanti da cellule. La teoria venne pertanto riformulata da Schwann e Schleiden: Gli organismi viventi sono costituiti da cellule o prodotti di cellule. Ma anche questa asserzione può non essere appropriata per i microrganismi più semplici(virus). Un altra affermazione importante che riguarda l essenza delle cellule venne enunciata da Wirchow: Le cellule producono altre cellule in continuità nel tempo. In base a ciò, si comprende come tutte le cellule derivino da altre cellule. Attualmente la teoria cellulare mette in evidenza due punti: 1. Cellule o prodotti di cellule sono le unità di struttura e funzione degli organismi 2. Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti Si è accennato in precedenza al fatto che le cellule prive di nucleo non possono avere introni. Abbiamo dato perciò per scontato che esistano cellule con nucleo e cellule prive di nucleo. Anzi per la verità dovremmo parlare di organismi con cellule nucleate e organismi con cellule non dotate di nucleo che corrispondono a due gruppi fondamentali: Eucarioti e Procarioti. Le cellule degli Eucarioti hanno una compartimentazione ben definita, con sistemi di membrane, un nucleo delimitato da membrana e veri e propri cromosomi, i procarioti mancano di ciò.

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3 L'organello più evidente, all'interno di una cellula, è il nucleo; ha una forma rotondeggiante ed è avvolto da un involucro. Il nucleo è l'organulo maggiormente coinvolto nel processo riproduttivo. È composto da una particolare molecola, il DNA, e da proteine, che assieme formano la cromatina. Quando la cellula è attiva questa sostanza ha una struttura che richiama una collana di perle mentre, quando la cellula sta per riprodursi, forma dei corpuscoli detti cromosomi.

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5 Il diametro medio del nucleo è di 5mm. Esso è racchiuso da due membrane concentriche che, separano ciò che è contenuto all interno, dal citoplasma circostante e che formano l involucro nucleare.

6 La continuità tra involucro nucleare e RE e tra RE di cellule adiacenti, mediante i plasmodesmi, permette la comunicazione fra nuclei di cellule diverse e la sincronizzazione di alcuni eventi. Involucro nucleare L'involucro L involucro nucleare e è dato costituito dal ripiegamento da due membrane (ciascuna con spessore di del reticolo endoplasmatico 6,5nm) separate attorno da al uno nucleo. spazio di 10-30nm. La superficie dell involucro rivolta verso il nucleoplasma è rivestita da uno strato proteico fibroso più o meno denso dello spessore di circa 100nm, la lamina nucleare, probabilmente derivante da filamenti intermedi del citoscheletro. Si suppone che tale lamina rivesta un ruolo nel legare la cromatina all involucro. La superficie della membrana esterna rivolta verso il citosol è cosparsa di ribosomi, talora in intensa attività di sintesi. Lo spazio intermembrana (perinucleare) è in continuità col lume del reticolo endoplasmatico È costituito da ruvido; due membrane, in definitiva ognuna l involucro delle quali nucleare è un potrebbe doppio strato essere inteso fosfolipidico. Quella esterna come se è associata fosse costituito a ribosomi, dal RE. quella interna no. Di regola in ogni cellula è presente un solo nucleo.

7 I pori nucleari L involucro nucleare è costellato di strutture chiamate Pori Nucleari, che occupano circa il 10%della superficie cellulare; mettono in comunicazione il comparto nucleare con quello citoplasmatico. Il complesso del poro nucleare sembra essere organizzato e mantenuto in sito da un altra struttura, la lamina nucleare. Questa è costituita da una rete di proteine fibrose, le lamìne, che tappezzano la superficie interna della membrana nucleare interna collaborando a dare forma al nucleo e a organizzare i cromosomi con i quali è a contatto.

8 Nucleus with Nuclear Pores (TEM x73,200). The cytoplasm also contains numerous ribosomes

9 Pori nucleari Il diametro Another dei way pori of visualizing varia da 20 nuclear a 100nm. Ogni pores One poro is of è via the formato freeze-fracture/freeze techniques da circa used 100 to proteine study etch. nuclear This diverse(nucleoporine). protocol pore complexes involves is the called rapid freezing "negative of structures staining". followed This protocol by Strutturalmente fracturing. deposits The heavy il membranes complesso metal stains è are formato around da due anelli, cleaved uno structures along sulla membr. their and delineates lipid nucleare bilayer their interna(anello and nucleare) either surface the ed face structure. uno next su to quella When the cytoplasm esterna( placed in anello (protoplasmic electron citoplasmatico). microscope, or P face) or the the heavy Gli extracellular 8 granuli metal around dell anello (E) face the of structure e the il granulo retards al centro membrane sono the electron formati is shown. beam. da RNA Then, filamentoso. a structure replica is made itself of the allows membrane the electron by beam to evaporating pass and heavy this activates metal over the the surface. I photographic Pori This Nucleari, replica emulsion. servono is what is al Thus, viewed passaggio a di in grandi the "negative" transmission molecole image come electron is created l RNA in messaggero the microscope. dal photograph. nucleo al citoplasma, è comunque una struttura dinamica, specializzata nel trasporto selettivo di molecole attraverso l involucro nucleare.

10 Dentro il nucleo troviamo la cromatina, un complesso di DNA e proteine. Quando il nucleo sta per dividersi la cromatina si condensa in grandi strutture visibili al microscopio ottico, i Cromosomi

11 La Cromatina può presentarsi in due forme : l'eucromatina e l'eterocromatina eterocromatina, formata da sequenze ripetute per la maggior parte non tradotte, eucromatina costituita da sequenze ricche di geni. L'Eucromatina è la cromatina che si colora debolmente ed è spiralizzata durante l'interfase, ma si condensa durante la mitosi. La maggior parte del genoma è costituito da Eucromatina. Funzionalmente l'eucromatina è geneticamente attiva, vale a dire contiene geni che vengono espressi

12 L'Eterocromatina è la cromatina che si colora intensamente, questo avviene perchè la regione di cromatina implicata è più condensata dell'eucromatina. A differenza dell'eucromatina, l'eterocromatina è geneticamente inattiva, o perchè non contiene geni o perchè i geni in essa contenuti non possono essere espressi Possono essere due classi di eterocromatina: L'ETEROCROMATINA COSTITUTIVA è geneticamente inattiva, un esempio è rappresentato dell'eterocromatina dei centromeri e dei telomeri. L'ETEROCROMATINA FACOLTATIVA è la cromatina che ha la potenzialità di condensarsi allo stato eterocromatico. L'eterocromatina è localizzata in uno strato subito al di sotto della membrana nucleare e attorno al nucleo

13 Ogni cromosoma è infatti organizzato in anse funzionali attorno ad un asse proteico. Ogni ansa a seconda dello stato di I cromosomi attività dei geni che contiene, sarà più o meno strettamente impacchettata. I cromosomi sono strutture presenti nel nucleo delle cellule eucariotiche,ma che si rendono evidenti soltanto durante la divisione cellulare. Ogni cromosoma eucariotico è costituito da una molecola di DNA a doppia elica lineare ininterrotta che si estende in tutta la sua lunghezza e contiene una quantità in peso di proteine circa doppia rispetto a quella del DNA. Sono costituiti da due filamenti tra loro paralleli e avvolti a spirale detti CROMATIDI, sui quali compaiono granuli di cromatina che è una sostanza di natura proteica contenuta nel nucleo di tutte la cellule. Il cromosoma consiste, quindi di un complesso di DNA, proteine cromosomiche (istoni), questo complesso si definisce cromatina.

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15 Cariotipo di mais I cromosomi possono essere analizzati, con opportune tecniche, al microscopio ottico, quando la cellula sta per replicarsi (metafase della meiosi o della mitosi) ed ha duplicato e condensato il suo DNA. E' solo in questa fase che i cromosomi si rendono visibili come entita' distinte, sono distinguibili, un braccio corto,p, ed un braccio lungo,q. I cromosomi possono, quindi, venire ordinati in base alle dimensioni, alla posizione del centromero (quella specie di "strozzatura" che tiene uniti i due filamenti cromatidi) ed al tipo di bande prodotte da specifiche colorazioni. L'ordinamento che si ottiene viene definito "mappa cromosomica"o"cariotipo". has eight pairs of middle centromeres, two pairs of submedian region centromere chromosomes.

16 Il cariotipo o mappa cromosomica praticamente consiste nella fotografia dei cromosomi di un individuo. Nel cariotipo i cromosomi vengono ordinati in base a caratteristiche definite: - dimensioni in ordine decrescente di grandezza(il cromosoma 1 e' il piu lungo). - Lunghezza relativa delle braccia - Posizione del centromero - Colorazione e bandeggio che consente l'esatta identificazione di ogni coppia di cromosomi. Le tecniche di colorazione permettono di ottenere il bandeggio, definendo le bande cromosomiche caratteristiche per ogni coppia e utilizzabili per il loro riconoscimento. Le bande presenti su ogni cromosoma sono indicate con un numero crescente dal centromero verso il telomero.

17 A seconda della posizione del centromero si possono distinguere cromosomi: - metacentrici in cui il centromero e' in posizione centrale il braccio p e il braccio q hanno dimensioni quasi uguali - submetacentrici in cui il centromero e' in posizione intermedia il braccio p e' piu' corto rispetto al braccio q - acrocentrici in cui il centromero e' in posizione terminale il braccio corto praticamente e' inesistente Nei cromosomi acrocentrici sono presenti alcuni corpuscoli rotondeggianti detti satelliti. I satelliti contribuiscono alla formazione del nucleolo. In ogni cromosoma possiamo distinguere 2 bracci (p e q) tenuti assieme da un perno centrale proteico definito Centromero La posizione del centromero e' fissa in ogni cromosoma e permette di classificarlo orientando il braccio p verso l'alto. Le estremità dei cromosomi sono denominate Telomeri. Cromosoma metacentrico Cromosoma submetacentrico Comosoma acrocentrico Ad ogni replicazione del DNA un pezzettino dei Telomeri viene perso e la loro lunghezza originaria è ripristinata da un enzima denominato Telomerasi che si occupa di aggiungere nucleotidi alla fine della molecola di DNA. Questo processo sembra fondamentale in maniera opposta sia per l'invecchiamento cellulare sia per l'insorgenza dei tumori.

18 Ogni cromosoma contiene una lunga molecola di DNA (assieme a specifiche proteine) la quale contiene le informazioni che sono necessarie al funzionamento della cellula (e che verranno trasmesse alle cellule figlie) In ogni specie i cromosomi si presentano con un numero e una struttura caratteristici. Tutte le cellule di un dato organismo hanno lo stesso numero di cromosomi (ad eccezione dei gameti che ne hanno esattamente la metà)

19 ORGANIZZAZIONI TRA DNA E ISTONI A FORMARE I CROMOSOMI FISH Gli Le istoni sequenze sono cromosomiche le proteine più abbondanti possono essere associate studiate meglio ai cromosomi, con l'applicazione sono di varie proteine basiche tecniche relativamente di cui molto piccole; importante risulta essere la FISH. vale a dire al loro ph cellulare Questo metodo permette di hanno colorare una in modo carica fluorescente netta positiva, i il singoli che facilita cromosomi il loro eucariotici legame al DNA. in corrispondenza di punti di localizzazione di geni o di Al DNA eucariotico sono sequenze di DNA specifiche associati 5 tipi di istoni: h1- h2a-h2b-h3-h4

20 Gli istoni Il loro ruolo fondamentale è quello di organizzare il DNA, compattandolo in modo tale da consentire alle cellule di conservarlo in un volume ristretto come quello del nucleo. La famiglia degli istoni comprende le proteine H1, H2a, H2b, H3 e H4. Due proteine H2a, due H2b, due H3 e due H4 si uniscono a formare un ottamero, detto nucleosoma. I nucleosomi hanno un diametro di circa 11nm, ed il DNA vi si avvolge intorno per quasi due giri (un giro e tre quarti)dando luogo al solenoide.. Tra un nucleosoma e l'altro, è presente il DNA detto linker, che può variare in lunghezza tra poche basi fino a circa 150. H1 pare prendere contatto proprio con il DNA linker, tuttavia il suo ruolo preciso non è ancora del tutto chiarito. I vari nucleosomi uniti dal DNA linker assomigliano quindi ad una collana di perline, e formano la cosiddetta fibra da 10nm.

21 Gli istoni ed i nucleosomi da loro formati, non vanno tuttavia pensati come entità completamente passive con funzioni puramente strutturali. Gli istoni infatti sono soggetti ad un gran numero di modificazioni posttraduzionali, tanto è vero che è ormai evidente l'esistenza di un vero e proprio "codice istonico". Le modificazioni post-traduzionali che interessano gli istoni possono essere acetilazioni (su residui di lisina), metilazioni (su arginine e lisine), fosforilazioni (su serine e treonine), ubiquitinazioni, ecc Questo "codice istonico" stabilisce, ad esempio, quali siano le regioni di DNA accessibili dall'apparato trascrizionale, ed è quindi di fondamentale importanza nei meccanismi di regolazione dell'espressione genica.

22 IL NUCLEOLO Il nucleolo è implicato nella sintesi di uno speciale RNA che serve da costituente dei ribosomi (RNA ribosomiale).

23 Il nucleolo-struttura e funzione L involucro nucleare fa da barriera tra i processi genetici fondamentali della duplicazione del DNA e della sintesi dell RNA. L involucro nucleare racchiude un altra struttura, non dotata di membrana, ad elevato grado di organizzazione: il nucleolo Un nucleolo funzionante è necessario per il trasferimento dell RNA dal nucleo al citoplasma. L inattivazione del nucleolo con un microfascio di luce UV inibisce il passaggio di RNA in seno al citoplasma. Il nucleolo è necessario Il nucleolo per è un la sede corretto di produzione svolgersi della degli mitosi, rrna durante e la quale scompare, è presente dell assemblaggio nel nucleo durante dei ribosomi, le fasi G1, che S e si G2. muovono In effetti, dal importanti alterazioni dei nucleoli provocano il blocco delle cellule in fase G2, che precede nucleo verso il reticolo endoplasmatico rugoso, sito di la mitosi o fase M. Il trattamento del nucleolo con un microfascio di luce UV inibisce la divisione sintesi delle cellulare. proteine. Se durante l interfase e subito prima della scomparsa del Il nucleolo trasporto la può sintesi avvenire proteica per è diffusione bloccata con o per acticromo trasporto o con cicloesimide, la attivo. mitosi ha luogo, ma i nuclei non possono riformarsi.

24 Il numero dei nucleoli eguaglia di solito il grado di plodia: ci sono 2 nucleoli nelle cellule diploidi, 1 nelle aploidi, 4 nelle tetraploidi e così via. Spesso però i due nucleoli di una cellula diploide possono fondersi in un unica struttura, oppure possono esservi numerosi nucleoli per cellula, come accade per le cellule germinali La cromatina di un determinato cromosoma, in un area per lo più compresa fra due tratti di eterocromatina detta nucleolo-associata, presenta una sequenza di alcune centinaia di geni a forma di spazzolino che costituiscono la porzione fibrillare o interna del nucleolo (F). La porzione granulare del nucleolo (G) è formata dai complessi di rrna e proteine, precursori delle unità ribosomiali maggiori e originati dalla porzione fibrillare.

25 Al microscopio ottico il nucleolo si presenta come un granulo molto rifrangente, rotondeggiate oppure ovale, situato in posizione eccentrica, in rapporto con masserelle di eterocromatina (eterocromatina nucleolo-associata) che lo circondano più o meno completamente in forma d anello. Il nucleolo si presenta con le seguenti strutture: -cromatina perinucleolare, che si dispone a fascia, circondando più o meno completamente il corpo del nucleolo. Questa cromatina perinucleolare presenta proprietà fisiche singolari che permettono di isolare i nucleoli intatti ricorrendo all ultracentrifugazione. Il calcio indurisce questa zona di cromatina e, in assenza di calcio, il nucleolo si gonfia e perde le sue caratteristiche morfologiche. - corpo nucleolare, in genere sferico, che corrisponde alla porzione di nucleolo circondata da cromatina perinucleolare.

26 FINE