Corso integrato di Biologia e Genetica

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1 Corso integrato di Biologia e Genetica Coordinatore: Prof.ssa Giovanna Bianchi Scarrà Genetica Generale e Molecolare (testo: vedi Biologia) Genetica Medica (testo: Genetica Medica Essenziale, Dalla Piccola, ed Il Minotauro) Anno accademico

2 Informazioni per costruire un individuo cioè materiale genetico DNA Negli Eucarioti il NUCLEO protegge e separa il DNA dal citoplasma cellulare.

3 Tutte le informazioni per COSTRUIRE un individuo (cioè tutto il materiale genetico) sono contenute nel DNA Negli Eucarioti compare una nuova struttura che protegge e separa fisicamente il DNA dal resto della cellula (dal citoplasma ): IL NUCLEO

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5 Il DNA, insieme a diverse proteine si organizza in una struttura che è detta CROMOSOMA. I cromosomi sono costituiti da cromatina, che consiste di fibre contenenti DNA e proteine. Quando una cellula non è in divisione, la cromatina si trova sotto forma di lunghi filamenti. Durante la divisione le fibre di cromatina si condensano e si rendono visibili come strutture distinte. Nelle cellule umane i cromosomi si possono osservare durante la divisone cellulare e distinguere per forma e dimensioni.

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7 Il numero dei cromosomi è tipico per ogni specie. Specie umana: 46 cromosomi Nelle cellule umane i cromosomi si possono osservare durante la divisione cellulare e distinguere per forma e dimensioni.

8 I cromosomi sono presenti in coppie nelle cellule somatiche. I membri di una coppia sono i cromosomi omologhi. Ogni coppia di cromosomi contiene: UN CROMOSOMA DI ORIGINE PATERNA UN CROMOSOMA DI ORIGINE MATERNA Se una cellula contiene 2 cromosomi di ogni tipo, cioè due serie di cromosomi, si dice che possiede un corredo cromosomico diploide. Se è presente un cromosoma per ogni coppia di omologhi, si dice che il corredo è aploide. Nell uomo il numero diploide è 46 e il numero aploide è 23

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11 DIVISIONE CELLULARE Ogni cellula si riproduce portando avanti una sequenza ordinata di eventi in cui essa raddoppia i suoi componenti e poi si divide in due.

12 Organismi unicellulari: (es. batteri ) ogni divisione cellulare produce un intero organismo nuovo. Organismi pluricellulari: la divisone cellulare riguarda sia le cellule somatiche che gametiche. Per le cellule somatiche la divisione cellulare prende il nome di mitosi, avviene durante lo sviluppo e il differenziamento dell'organismo e per alcuni tipi cellulari anche durante tutta la vita. Per le cellule gametiche (cellula uovo e spermatozoo) la divisione cellulare prende il nome di meiosi.

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14 Quando le cellule raggiungono una certa dimensione devono arrestare l accrescimento o dividersi. La divisione cellulare eucariotica coinvolge due principali processi la mitosi e la citocinesi. La MITOSI è un processo complesso che interessa il nucleo e assicura che ogni nuovo nucleo riceva lo stesso numero e gli stessi tipi di cromosomi che erano presenti nel nucleo di origine. La CITOCINESI consiste nella divisione del citoplasma della cellula per formare due cellule figlie.

15 Durante la fase S o di sintesi tutto il DNA contenuto nei cromosomi viene duplicato per poi essere ridistribuito nelle due cellule figlie. P M centromero Fase S Cromosomi omologhi Cromatidi fratelli

16 Il numero e la morfologia dei cromosomi è tipico per ogni specie. Tuttavia non è il numero dei cromosomi che rende la specie unica ma informazione portata in quei cromosomi. Specie umana: 46 cromosomi organizzato in 23 coppie di omologhi (CROMOSOMI OMOLOGHI) uno di origine paterna e uno di origine materna. La coppia di cromosomi omologhi, contiene le informazioni genetiche (diverse o identiche) relative agli stessi caratteri e per tale ragione vengono definiti cromosomi omologhi.

17 MITOSI

18 MITOSI PROCESSO DI DIVISIONE CELLULARE CHE GARANTISCE LA CONSERVAZIONE E LA DISTRIBUZIONE DELLO STESSO NUMERO DI CROMOSOMI DA UNA CELLULA MADRE ALLE DUE CELLULE FIGLIE. IL MATERIALE CROMOSOMICO SI RADDOPPIA UNA VOLTA E LA CELLULA SI DIVIDE UNA VOLTA. La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche alla cellula madre.

19 Cellula madre 46 cromosomi Cellula figlia 46 cr Cellula figlia 46 cr

20 Fasi della Mitosi: 1. Profase 2. Metafase 3. Anafase 4. Telofase

21 Profase: Inizia quando i lunghi filamenti di cromatina cominciano a condensarsi mediante processi di spiralizzazione nel quale i cromosomi diventano contemporaneamente più corti e più spessi. Ogni cromosoma è stato duplicato durante la precedente fase S e consiste di una coppia di unità identiche cromatidi fratelli. Ogni cromatide contiene una regione chiamata centromero.

22 Profase-Metafase

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24 Metafase: i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale della cellula (piastra metafasica) e prendono contatto con i microtubuli. Per la corretta separazione dei cromosomi si forma una connessione tra i microtubuli del cinetocoro e i cromosomi replicati. Il cinetocoro è un insieme di proteine che aderisce al centromero.

25 Profase: Inizia quando i lunghi filamenti di cromatina cominciano a condensarsi mediante processi di spiralizzazione nel quale i cromosomi diventano contemporaneamente più corti e più spessi. Ogni cromosoma è stato duplicato durante la precedente fase S e consiste di una coppia di unità identiche cromatidi fratelli. Ogni cromatide contiene una regione chiamata centromero.

26 Metafase-Anafase-Telofase

27 Metafase: i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale della cellula (piastra metafasica) e prendono contatto con i microtubuli. Per la corretta separazione dei cromosomi si forma una connessione tra i microtubuli del cinetocoro e i cromosomi replicati. Il cinetocoro è un insieme di proteine che aderisce al centromero.

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29 Anafase: ha inizio quando le forze che tengono uniti i cromatidi fratelli in corrispondenza dei loro centromeri si allentano. Ogni cromatide è ora considerato come un cromosoma indipendente. I cromosomi disgiunti migrano lentamente ai poli opposti grazie ai cinetocori, ancora uniti ai microtubuli del fuso, che ne guidano il cammino. L anafase termina quando tutti i cromosomi hanno raggiunto i poli.

30 Telofase: è lo stadio finale della mitosi, caratterizzato dal ritorno ad una condizione simile a quella di interfase. I cromosomi si decondensano srotolandosi. Attorno ad ogni serie di cromosomi si sviluppa un involucro nucleare.

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32 Pertanto: l assetto cromosomico di ogni gamete è la conseguenza diretta dell assortimento dei cromosomi delle diverse paia durante il processo meiotico. Prima di tutto vediamo cosa succede in una cellula:

33 MEIOSI

34 MEIOSI Gli organismi superiori si riproducono mediante l unione di due cellule sessuali specializzate, i gameti (aploidi) che si uniscono a formare un unica cellula chiamata zigote (diploide). I gameti sono prodotti nelle gonadi (testicolo e ovaio) a partire dalle cellule germinali Se i gameti (cellule uovo e spermatozoi) avessero lo stesso numero di cromosomi delle cellule del genitore che lo produce, allora lo zigote avrebbe un n doppio di cromosomi e questo raddoppiamento si verificherebbe ad ogni generazione. Il mantenimento di un numero costante di cromosomi è assicurato mediante un tipo particolare di divisione cellulare riduzionale chiamato meiosi.

35 MEIOSI PROCESSO DI DIVISIONE CELLULARE CHE PORTA ALLA PRODUZIONE DI CELLULE APLOIDI. IL MATERIALE CROMOSOMICO SI RADDOPPIA UNA VOLTA E LA CELLULA SI DIVIDE DUE VOLTE. E UN PROCESSO FONDAMENTALE PER GARANTIRE LA CONSERVAZIONE DELLO STESSO NUMERO DI CROMOSOMI ALL INTERNO DI OGNI SPECIE.

36 Cellula madre 46 cromosomi Cellula figlia 46 cromosomi Cellula figlia 46 cromosomi Cellula figlia 23 cromosomi Cellula figlia 23 cromosomi Cellula figlia 23 cromosomi Cellula figlia 23 cromosomi

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38 Il termine meiosi significa infatti rendere più piccolo, in riferimento al fatto che il numero dei cromosomi viene dimezzato. Durante la meiosi una cellula diploide va incontro a 2 divisioni cellulari, producendo potenzialmente 4 cellule aploidi. La meiosi consiste di due divisioni nucleari e citoplasmatiche denominate prima e seconda divisione meiotica. Meiosi 1: i membri di ogni coppia di cromosomi omologhi prima si uniscono, poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti. Meiosi 2: i cromatidi che costituiscono ciascun cromosoma omologo si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle cellule figlie

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41 Fasi della Meiosi DIVISIONE RIDUTTIVA PROFASE I 1. leptotene 2. zigotene (sinapsi) 3. pachitene (crossing-over; tetrade) 4. diplotene (chiasmi) 5. diacinesi

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43 Crossing over: rottura e scambio di parti di cromatidi e loro successiva ricongiunzione

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45 METAFASE I ANAFASE I: - i componenti di una coppia di cromosomi omologhi si dirigono verso i poli opposti - i centromeri non si sono divisi quindi i cromosomi sono composti da due cromatidi e sono detti diade TELOFASE I: 2 cellule figlie con meta dei cromosomi formati ciascuno da due cromatidi

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47 II DIVISIONE MEIOTICA PROFASE II METAFASE II ANAFASE II: si dividono i cromatidi di ciascun cromosoma TELOFASE II: citocinesi 4 cellule con metà numero dei cromosomi formati ciascuno da un cromatide

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50 PUNTI IMPORTANTI NELLA MEIOSI: 1. Produzione di cellule aploidi 2. CROSSING-OVER: nella profase I durante l appaiamento tra i cromosomi omologhi (tetradi) può avvenire uno scambio reciproco di parti tra cromosomi omologhi 3. ASSORTIMENTO CASUALE dei cromosomi omologhi (I divisione) e dei cromatidi fratelli (II divisione) con formazione di nuove combinazioni. All anafase I gli omologhi si disgiungono e migrano ai due poli della cellula in modo indipendente per ogni paio, allo stesso modo si comportano i cromatidi fratelli all anafase II 1+2 RIMESCOLAMENTO DEL PATRIMONIO GENETICO

51 LA MEIOSI GENERA LE DIVERSITA LA MITOSI E UN PROCESSO CONSERVATIVO

52 L assetto cromosomico di ogni gamete è la conseguenza diretta dell assortimento dei cromosomi delle diverse paia durante il processo meiotico.

53 I processi di base della meiosi sono simili a quelli della mitosi, ma presentano 4 importanti differenze: 1. La meiosi comporta 2 successive divisioni nucleari e citoplasmatiche con potenziale produzione di 4 cellule. 2. Nonostante le due divisioni il DNA subiscono una sola duplicazione durante l interfase che precede la div. meiotica 3. Ognuna delle 4 cellule prodotte contiene un n aploide di cromosomi, cioè solo un esemplare di ogni coppia di omologhi. 4. Durante la meiosi l informazione genetica che proviene da entrambi i genitori viene mescolata, così che ogni cellula possiede una combinazione di geni potenzialmente unica.

54 Differenze tra mitosi e meiosi

55 Breviario: IL NUMERO DEI CROMOSOMI E CARATTERISTICO DI CIASCUNA SPECIE. NELL UOMO 46 CROMOSOMI DIVISI IN COPPIE DI OMOLOGHI : CORREDO CROMOSOMICO DIPLOIDE OGNI COPPIA DI CROMOSOMI CONTIENE UN CROMOSOMA DI ORIGINE PATERNA E UN CROMOSOMA DI ORIGINE MATERNA PRODUZIONE DI CELLULE APLOIDI GAMETI (SPERMATOZOI E CELLULE UOVO) LA FUSIONE DI 2 GAMETI (APLOIDI) DURANTE LA FECONDAZIONE PORTA ALLA FORMAZIONE DI UN NUOVO INDIVIDUO (DIPLOIDE) DETTO ZIGOTE I GAMETI SONO PRODOTTI NELLE GONADI (TESTICOLO, OVAIO) A PARTIRE DALLE CELLULE GERMINALI TRAMITE UNA DIVISIONE CELLULARE RIDUZIONALE: MEIOSI TUTTE LE ALTRE CELLULE DELL ORGANISMO SONO DETTE CELLULE SOMATICHE, SONO DIPLOIDI E SI DIVIDONO TRAMITE UNA DIVISIONE CELLULARE: MITOSI

56 Geni e cromosomi OGNI CROMOSOMA E COSTITUITO DA UNA SUCCESSIONE LINEARE DI GENI O LOCI. GENE: UNITA EREDITARIA FONDAMENTALE a b c d LOCUS: POSIZIONE OCCUPATA DA UN GENE SU UN CROMOSOMA. OGNI PAIO DI CROMOSOMI CONTIENE GLI STESSI GENI NELLO STESSO ORDINE MA NON NECESSARIAMENTE IN FORMA IDENTICA.

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58 ALLELI: FORME DIVERSE DI UNO STESSO GENE