Transcript Citologia 16 - DNA e cromosomi

Citologia 16 – DNA e cromosomi
Struttura degli acidi nucleici
Gli acidi nucleici (DNA ed RNA) sono molecole
guanina
G
che hanno come unità di base il nucleotide (deribosio
citosina
C
sossiribosio/ribosio + fosfato + base azotata). Le
basi azotate degli acidi nucleici sono adenina, tiadenina
P
A
mina, citosina, guanina e uracile (quest’ultima
timina
T
sostituisce la timina nell’RNA).
desossiribosio
Le basi sono classificate in purine e pirimidine:
uracile
U
le
Basi azotate
fosfato
Zuccheri
 Purine (adenina e guanina): formate da
due anelli condensati
 Pirimidine (timina, citosina, uracile):
G
P
formate da un unico anello.
Dal nucleotide deriva il nucleoside, che è il nunucleotide
cleotide privato del gruppo P (quindi desossiribosio/ribosio + base azotata).
I nucleotidi, oltre ad essere l’unità base degli acidi nucleici, possono svolgere anche funzioni molto importanti. Ad esempio, il cAMP (adenina + ribosio + fosfato) svolge un ruolo importantissimo nel ciclo cellulare.
Altri nucleotidi, con l’aggiunta di ulteriori gruppi fosfato, hanno importanti impieghi: ad esempio, l’ATP o il
GTP (guanosin-trifosfato), sono importanti molecole di riserva energetica nella cellula.
O
H
5
HO-C-H
C4
H
H
3
C
OH
O
H
5
HO-C-H
C4
H
H
3
C
OH
Base
A
DNA
G
adenina
guanina
C
citosina
T
timina
A adenina
G
guanina
RNA
C
citosina
U uracile
Nucleoside
Zucchero
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
desossir.
desossir.
desossir.
desossir.
ribosio
ribosio
ribosio
ribosio
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
A
G
T
H
C
OH
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
A
G
C
U
H
H
C
OH
2
OH
1C
H
H
2
C
H
Nucleotide
desossiadenina
P
desossiguanina
P
H
C
OH
H
C
OH
C
OH
1C
desossicitidina
P
desossitimidina
P
adenosina
P
guanosina
P
citidina
P
uridina
P
H
C
OH
A
dAMP
P P
G
dGMP
P P
C
dCMP
P P
T
dTMP
PP
A
AMP
P P
G
GMP
P P
C
CMP
P P
U
UMP
P P
H
C
OH
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
A
dADP
P P P
G
dGDP
P P P
C
dCDP
P P P
T
dTDP
P PP
A
ADP
P P P
G
GDP
P P P
C
CDP
P P P
U
UDP
P P P
H
C
OH
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
A
dATP
G
dGTP
C
dCTP
T
dTTP
A
ATP
G
GTP
C
CTP
U
UTP
H
C
OH
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
DNA
Il DNA (Deoxy-ribo-Nucleic Acid = acido desossi-ribo-nucleico) è un
lungo filamento, con un diametro di 2 nm ed una lunghezza di oltre 2 m (nell’uomo), costituito da2 catene antiparallele (cioè orientate in senso opposto), avvolte a doppia elica.
È la molecola depositaria delle informazioni genetiche dell’individuo. 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 questo hanno funzioni diverse.
1
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Struttura
Ciascuna delle due catene del DNA è formata dalla ripetizione di nucleotidi.
Il desossiribosio di un nucleotide si lega al gruppo fosfato del nucleotide che lo precede e al fosfato del nucleotide 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 determina la comparsa di due solchi tra i due filamenti: un solco maggiore e un solco minore. Un avvolgimento
completo delle due eliche (passo) è 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 è un legame ad idrogeno1 ed è questo legame che tiene assieme le due catene del DNA.
Spiralizzazione del DNA
Il DNA si presenta spiralizzato. Il grado di
spiralizzazione è basso quando la cellula
non deve riprodursi (interfase), mentre diventa notevole nella fase di divisione cellulare. In questa fase, il DNA si spiralizza in
strutture ben individualizzabili, dette cromosomi. La spiralizzazione del DNA si conLivello 1
cretizza attraverso 5 livelli:
1. La molecola del DNA (2 nm di diametro) si attorciglia, compiendo 2
giri attorno ad 8 proteine dette
istoni. Gli istoni compattano il DNA
Livello 2
per consentire alle cellule di conservarlo in un volume ristretto
come quello del nucleo e sono
coinvolti nella regolazione genica
facilitando, ad esempio, la trascriLivello 3
zione di un gene oppure contribuendo alla sua inibizione.
In questo livello, entrano in gioco 4
tipi di istoni: H2a, H2b, H3 e H4. La
struttura che ne risulta è il nucleosoma (10 nm di diametro). Più nuLivello 4
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
Livello 5
che separa i vari nucleosomi. Questi istoni si uniscono tra di loro in
numero di 6. Grazie a questa
unione, il DNA assume una forma
più 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 è detto fibra da 300 nm.
4. Le fibre da 300 nm, a loro volta, per effetto della spiralizzazione dell’impalcatura proteica formano
delle spirali a rosetta del diametro di 700 nm. Si formano pertanto le fibre da 700 nm.
1
Il legame a idrogeno è un tipo di legame chimico che avviene tra l’idrogeno (H) e un elemento molto elettronegativo, come ossigeno
(O), azoto (N) e fluoro (F). Si tratta di un legame più 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.
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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 attività diversi del DNA. Il grado di spiralizzazione 1 e 2
(nucleosomi e fibra solenoide) corrispondono alla eucromatina, condizione in cui il grado di spiralizzazione è
modesto ed il DNA può essere trascritto. I gradi 3-4 corrispondono alla eterocromatina, cioè grado di spiralizzazione notevole e DNA che non può più essere trascritto (e corrisponde ad un grado di condensazione ≥3).
Cromosomi
I cromosomi sono delle strutture in cui il DNA è al massimo grado di compattamento.
Il numero di cromosomi è caratteristico di ogni specie animale. Nell’uomo 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 è ereditato dalla madre e l’altro dal padre.
Struttura
Nella cellula appena formata, ciascun cromosoma è formato da un filamento di DNA avvolto a spirale, chiamato cromatide, che assume la forma di un bastoncello con una strozzatura al centro, il centromero. Su ogni cromatide, 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 un’ulteriore strozzatura, come un secondo centromero. Questa regione è la
sede delle sequenze nucleotidiche che codificano l’RNA ribosomale (rRNA). Nei cromosomi umani, la
costrizione secondaria si trova sul braccio corto di tutti i cromosomi acrocentrici (vedi dopo). La porzione di cromosoma che sporge viene denominata satellite.
 Telomero. Sono le estremità dei cromosomi. Sono formate da una sequenza
(TTAGGG) ripetuta 2000 volte (nell’uomo). Si tratta di regioni estremamente importanti, che svolgono 2 vitali funzioni:
 Impediscono la fusione dei cromosomi (per esempio se due estremità cromosomiche si spezzano);
 Svolgono il ruolo di marcatempo (cioè conteggiano ed impongono il numero
di volte in cui una cellula può riprodursi).
Infatti, ogni volta che i cromosomi vengono duplicati nella divisione cellulare, i telomeri subiscono un accorciamento. Esiste un enzima particolare,
la telomerasi che provvede a riparare i pezzi che sono stati consumati durante la replicazione ripristinando, così, le dimensioni originarie del telomero. Nel corso della vita la telomerasi scompare in quasi tutte le cellule
somatiche e rimane solo nelle cellule staminali e in quelle germinali (spermatozoi, cellule uovo e loro progenitori).
Man mano che le cellule si replicano, si viene a determinare un accorciamento progressivo dei telomeri e, dopo un numero calcolabile di duplicazioni (50-70 nelle
cellule umane), le cellule non riescono più a duplicarsi e vanno incontro ad una fase di invecchiamento 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 cromosoma umano più grande (cromosoma 1) è costituito da una molecola di DNA lunga 7.5 cm
che si riduce a soli 10 μm quando si spiralizza
durante la divisione cellulare. Il più piccolo è il
cromosoma 22.
Forma
 Metacentrici: il centromero è in posizione più o meno centrale
 Submetacentrici (o acrocentrici): il
centromero è spostato verso un’estremità
 Telocentrici: il centromero è posto
all’estremità. Questo centromero non
è presente nell’uomo e la sua esistenza è controversa.
Bandeggio: all’interno di ciascun cromosoma è possibile, mediante particolari trattamenti chimici,
individuare delle bande chiare e scure (bande cromosomiche) che riflettono il diverso grado di condensazione della cromatina.
 Ogni braccio del cromosoma è suddiviso in regioni, classificate con numeri progressivi a partire dal centromero e andando verso le estremità dei bracci.
 La regione è suddivisa in bande e sottobande, classificate con numerazione che parte
dal centromero.
Ad esempio il gene della fibrosi cistica (CFTR) è localizzato nella regione 3 (banda 1, sottobanda 2) del braccio lungo (q) del cromosoma 7 ed è 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).
Unità di misure dei cromosomi e del DNA
Le dimensioni dei cromosomi (e del DNA in generale) possono essere espresse in unità bp. Una unità 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 unità 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 nell’essere umano. Costituiscono la
23° coppia di cromosomi e sono rappresentati dal cromosoma X e da quello Y.
La combinazione XX dà origine ad un individuo 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 l’interfase (cioè la fase di non divisione della
cellula) e si localizza vicino alla membrana
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Citologia 16 – DNA e cromosomi
nucleare, e prende il nome di corpuscolo di Barr. Questo si rende visibile solo al termine della divisione cellulare (durante la metafase). Nei granulociti neutrofili, invece, il corpuscolo di Barr si rende manifesto, indipendentemente 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 cromoCorredo cromosomico
Cariotipo
somi si duplicano ed assumono una forma a
X, dovuta al fatto che in questa fase, ciascun
cromosoma è formato da due cromatidi
identici, uniti tra loro per il centromero. Un
cromatide andrà in una delle due cellule figlie
e l’altro, nell’altra.
L’insieme dei cromosomi di una cellula è
detto corredo cromosomico e la rappresentazione ordinata del corredo cromosomico è
detta cariotipo. L’ordinazione 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), più 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 un’unica
serie di cromosomi, uno diverso dall’altro (per es. gli spermatozoi e l’ovocita). 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 l’altra 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 è una sorta di linguaggio basato su una particolare sequenza dei nucleotidi (del DNA e
dell’RNA). È universale, uguale in tutti gli organismi viventi. Poiché il nucleotide è costituito solo da 3 elementi
(zucchero, gruppo fosfato e base azotata) e poiché l’unico elemento variabile è la base azotata, l’elemento
determinante la sequenza del codice genetico è proprio la base azotata.
L’unità base del codice genetico è il codon (o tripletta), cioè 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 (cioè, 43). Il numero di amminoacidi prodotti è,
però, solo 20.
La discordanza tra il numero di possibili triplette (64) ed il numero di possibili amminoacidi prodotti (20) è
dovuta al fatto che ciascun amminoacido (con l’eccezione della metionina e del triptofano) è prodotto da più
combinazioni e che ci sono combinazioni che non producono amminoacidi ma che hanno significati particolari: 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 l’universalità del codice genetico, alcune triplette possono avere significati diversi nei diversi organismi: ad esempio, la tripletta UAG, che nell’uomo è un segnale di stop nella traduzione, in alcuni organismi
codifica per la glutammina.
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