Citologia 26 - DNA e cromosmi

In questa lezione parleremo del DNA e delle sue forme di condensazione all'interno del nucleo. L'unità fondamentale degli acidi nucleici è il nucleotide. Questo è composto da uno scheletro formato da un carboidrato furanosico che può essere il ribosio o il desossiribosio.

Il ribosio è lo scheletro degli acidi nucleici denominati RNA, acido ribonucleico. Il desossi ribosio invece va a formare il DNA, ovvero acido desossi ribonucleico. In corrispondenza del quinto atomo di carbonio, quello del braccio all'esterno dell'anello, è legato solitamente un gruppo fosfato.

In corrispondenza del primo carbonio, invece, è legata sempre una base azotata. Le basi più comuni sono guanina, citosina, adenina, timina ed uracile. È importante specificare che la timina è sempre presente sul DNA.

l'uracile invece sull'RNA. Questo è molto importante in quanto la citosina in condizioni di stress andare incontro a una reazione di deaminazione trasformandosi in un uracile. Poiché il DNA deve conservare in modo fedele le informazioni all'interno della cellula, è inaccettabile che una base si trasforma in un'altra.

Per questo motivo il DNA utilizza la timina al posto dell'uracile. In questo modo, ogni volta che la cellula identifica l'uracile nel DNA, sa che questo corrisponde ad una citosina mutata e può quindi ripararlo. Gli acidi nucleici possono essere presenti in diverse forme.

Quella base è il nucleoside composto solo dallo zucchero e dalla base azotata. Quando un nucleoside possiede uno o più gruppi fosforici, esso viene denominato nucleotide e così possiamo avere nucleotidi monofosfato, difosfato e trifosfato. Questi nucleotidi e nucleosidi si differenziano in base allo zucchero che compone la struttura, il ribosio o il desossiribosio.

A loro volta si differenziano ancora in base a quale sia la base azotata legata. Ad esempio, un nucleotide monofosfato che ha come zucchero il desossibosio e come base la guanina, verrà denominata desossiguanidina monofosfato, oppure una base, un nucleotide di fosfato che ha come base luracile, come zucchero e ribosio verrà chiamato uridina di fosfato. Nel DNA i nucleotidi sono legati tra loro attraverso i gruppi fosfato.

Questo forma un filamento di DNA. Tuttavia il DNA non è libero come un semplice filamento, ma è conservato sotto forma di doppio filamento. Questi due filamenti si legano assieme attraverso dei ponti idrogeno che si staurano tra le regioni polari delle basi azotate.

Il pattern di cariche parziali presenti sulle basi fa sì che ci sia una sola possibilità di combinazione di queste basi, ovvero la timina può legare solo l'adenina e l'acitosina può legare solo la guanina. Così si forma il nostro doppio filamento. Possiamo osservare che il legame che si forma tra due nucleotidi avviene tra il carbonio 5 del primo nucleotide e il carbonio 3 del secondo nucleotide.

Agli estremi della catena avremo dei carboni non legati che saranno il 3 all'inizio della catena e il 5 alla fine della catena. Il secondo filamento di DNA è disposto in maniera antiparallela, ovvero l'orientamento del dei nucleotidi sarà inverso. Per questo motivo possiamo distinguere una catena 3 5 ed un'altra catena 5 3 Il primo sta ad indicare l'atomo di carbonio dello zucchero differenziandolo dall'atomo di carbonio della base azotata.

Soffermiamoci ora sul codice del DNA. Il codice del DNA possiede quattro variabili in quanto quattro sono le possibili basi presenti: adenina, timina, citosina e guanina. Ad ogni base corrisponde quindi un diverso nucleotide.

Il nucleotide contenente l'addinina sarà l'adenosina, quello con la timina sarà la timidina e così via con la citidina e la guanidina. La classe di lettura di questo codice è tre, ovvero ogni singola parola è composta da tre nucleotidi successivi. Vediamo di capire perché la classe è 3 e non due o 1.

Se la classe fosse semplicemente uno, ovvero ad ogni base corrisponde una proteina, potremmo descrivere quattro tipi di proteine diverse, una per ogni diversa base. Aumentando la classe A2, quindi ogni parola è composta da due nucleotidi, il numero di combinazioni possibili è 2 al quadrato e quindi 16. potremmo descrivere con questo linguaggio 16 diversi amminoacidi, ma come sappiamo nell'uomo gli amminoacidi sono 20, quindi è necessario che la classe del DNA sia tre.

Ogni tripletta descrive un amminoacido. Il numero di combinazioni totali è 64. Questo numero ci permette di coprire tutti i 20 amminoacidi possibili.

Però, essendo il numero di combinazioni molto maggiore rispetto al numero di amminoacidi, più triplette definite codon codificheranno per lo stesso amminoacido. In questa tabella vediamo rappresentate le corrispondenze tra le diverse triplette e gli amminoacidi. È importante osservare come alcune triplette non codifichino per aminoacidi, ma per messaggi di stop, ovvero saranno quelle triplette a determinare la fine della catena polipeptidica.

Il doppio filamento di DNA ha un diametro di 2 nanometri. Nell'uomo, inoltre, la somma di tutti i filamenti di DNA raggiunge una lunghezza superiore ai 2 m. La molecola di DNA, per essere contenuta all'interno del piccolo nucleo, deve essere quindi spiralizzata per occupare meno spazio possibile.

Il DNA quindi non è libero nel nucleo, ma è legato a delle proteine che ne permettono la spiralizzazione. Il complesso di DNA e proteine si definisce cromatina. Il primo livello di spiralizzazione è permesso da delle proteine chiamate istonie.

Sono presenti otto istoni H2A, H2B, H3, H4, ripetuti due volte. Questi formano una sorta di rocchetto attorno al quale il DNA si avvolge. All'esterno di questo rocchetto è presente un quinto tipo di stone, listone H1.

Questa struttura nel complesso prende il nome di nucleosoma. Più nucleosomi allineati tra loro si uniscono per mezzo del listone H1, formando una fibra di tipo solenoide. Mentre un nucleosoma ha un diametro di circa 10 nanom, la fibra solenoide nel complesso ha un diametro di 30 nanom.

Il DNA fermo al primo al secondo livello di spiralizzazione è definito eucromatina, ovvero quella parte di cromatina poco spiralizzata. Questo perché questa cromatina deve essere letta, trascritta per permettere poi la sintesi proteica. I livelli di spiralizzazione successiva invece andranno a formare l'eterocromatina, ovvero la cromatina eterogenea dovuta all'alto livello di spiralizzazione che le dà quindi un aspetto eterogeneo.

Il terzo livello di spiralizzazione, quindi, è caratterizzato dalla fibra solenoide che si ripiega formando delle anse su una proteina di natura però non istonica. In questo nel complesso questa struttura ha un diametro di 300 nanom. Il quarto livello di spiralizzazione è caratterizzato dal terzo livello che si avvolge a spirale lungo la proteina non istonica.

Questo quarto livello di spiralizzazione ha un diametro di 700 nanom. Questo rappresenta il livello di spiralizzazione finale che va a costituire il braccio del cromosoma. Vediamo quindi di comprendere cos'è il cromosoma.

Il cromosoma è l'unità strutturale in cui il DNA associato a proteine stoniche non si organizza all'interno della cellula. Normalmente il cromosoma è costituito da un semplice doppio filamento di DNA associato a proteine. Tuttavia il cromosoma può essere meglio osservato in fase di duplicazione quando raggiunge il suo livello di spiralizzazione massima.

In fase di duplicazione però il corredo di DNA è doppio e il cromosoma acquisisce la classica forma ad X. In un cromosoma è possibile identificare un braccio corto P, un braccio lungo Q ed un centromero, il punto in cui i due bracci si congiungono. Alcuni cromosomi possono presentare una costrizione secondaria oltre al centroomero.

questa costrizione, vediamo di capire cos'è esattamente un cromosoma. Il cromosoma è l'unità strutturale in cui il DNA associato alle proteine si organizza all'interno del nucleo. Tuttavia il cromosoma non è facile da individuare all'interno del nucleo in quanto tutte le molecole di DNA sono miste intrecciate tra loro.

Identificare invece i cromosomi durante la fase di spiralizzazione e quindi di duplicazione è molto più semplice. Durante la fase di duplicazione però il cromosoma duplica il suo contenuto di DNA e per questo motivo acquisisce la forma di X. Il cromosoma possiede un braccio corto P, un braccio lungo Q ed un centromero caratterizzato da una costrizione in cui le due braccia si congiungono.

Inoltre, alcuni cromosomi possono avere una costrizione secondaria. L'estremità terminali dei cromosomi sono caratterizzati da sequenze ripetute. Nell'uomo la sequenza che si ripete è TTA GG.

Questa eh sequenza ripetuta per circa 2000 volte va a costituire i telomeri. Questi telomeri hanno la funzione di limitare il numero di replicazioni a cui la cellula può andare incontro. Infatti, ogni volta che la cellula si duplica, questi telomeri si accorciano.

Questi telomeri impediscono la fusione dei cromosomi tra loro. Quando questi cromosomi accorciano e perdono completamente i telomeri, vanno incontro al caos genetico in cui i cromosomi si fondono tra loro e non è più possibile recuperare l'informazione genetica. Questo induce la morte cellulare.

Esistono tuttavia alcune cellule, tra cui le cellule staminali e germinali in cui è presente un'enzima, la telomerasi. Quest'enzima è in grado di ricostruire i telomeri e quindi concede a queste cellule il privilegio di replicarsi senza limitazioni. Nelle cellule umane sono presenti 46 filamenti di DNA.

Per questo motivo possediamo 23 coppie di cromosomi. Questi cromosomi si classificano in base alla lunghezza e in base alla posizione del centromero che li suddivide in metacentrici, submetacentrici e telocentrici. Unità di misura della lunghezza del DNA e quindi anche dei cromosomi è la base pair.

Come abbiamo detto, il DNA non è presente in singolo filamento, ma è sempre accoppiato sotto forma di doppio filamento. Quindi le basi non sono mai presenti singolarmente, ma sempre accoppiate, secondo la legge ATCG, a formare coppie di basi. La lunghezza di un cromosoma può quindi essere misurata in coppia di basi.

L'entificazione di un'informazione presente ad un certo livello del cromosoma richiede un codice, un codice specifico. Questo è composto da un primo numero che ci indica il cromosoma. Ad esempio 17 ci dice che ci troviamo sul cromosoma 17.

A questo numero segue una lettera che può essere P o Q che ci indica il braccio corto o lungo. Successivamente ci sono altre serie di numeri che ci indicano la regione, la banda e la sottobanda. I cromosomi umani hanno una lunghezza che va da 50 a 280 milioni di coppie di basi.

Nel complesso il genoma umano contiene 3,2 miliardi coppie di basi. Delle 23 coppie dei cromosomi umani, 22 sono definite autosomiche, mentre la 23ª è definita eterosomica, in quanto i due cromosomi della coppia possono essere diversi tra loro. Nell'uomo la 23ª coppia è caratterizzata dai cromosomi X ed Y.

Nella donna invece sono presenti due cromosomi X. è proprio quest'ultima coppia a determinare il sesso. La donna, possedendo due cromosomi X possiede un'informazione aggiuntiva non necessaria che invece nell'uomo manca.

Per questo motivo, anche in condizione di riposo, uno dei due cromosomi X è spiralizzato a livello massimo. Questo cromosoma altamente spiralizzato può essere osservato sotto forma di corpuscolo di bar all'interno dei neutrofili. Sulla sinistra vediamo appunto una piccola protuberanza che rappresenta il corpuscolo di bar, ovvero il cromosoma X inutilizzato nella donna.