Biologia 31 – DNA – Generalità e struttura

Biologia 31 – DNA – Generalità e struttura 1

Biologia 31 – DNA – Generalità e struttura

Struttura generale degli acidi nucleici

Gli acidi nucleici (DNA ed RNA) sono molecole che hanno come unità di base il nucleotide (desossiribosio/ribosio + fosfato + base azotata).

Le basi azotate degli acidi nucleici sono adenina, timina, citosina, guanina e uracile (che sostituisce la timina nell’RNA).

Esse sono classificate in purine e pirimidine: le purine (adenina e guanina) sono formate da due anelli condensati, mentre le pirimidine (timina, citosina, uracile) sono formate da un unico anello.

Dal nucleotide deriva il nucleoside, che è il nucleotide 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.

Inoltre, altri nucleotidi, con l’aggiunta di ulteriori gruppi fosfati, hanno importanti impieghi: ad esempio, l’ATP o il GTP (come l’ATP, ma con la guanina al posto dell’ adenina), sono importanti molecole di riserva energetica nella cellula.

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 metri (nell’uomo), costituito da due catene antiparallele (cioè, orientate in senso opposto), avvolte a doppia elica.

È la molecola depositaria delle informazioni. Nel DNA, c’è “scritto” tutto ciò che l’organismo deve fare, anche quando deve morire. Dal DNA, inoltre, provengono le informazioni che permettono ai ribosomi di sintetizzare le proteine.

È importante notare che tutte le cellule di uno stesso organismo possiedono lo stesso DNA. Questo poi, 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.

Struttura

Ciascuna delle due catene del DNA è formata dalla ripetizione di nucleotidi, aventi come zucchero il desossiribosio.

Il desossiribosio di un nucleotide si lega al 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 (come se fosse un cavatappi che va verso destra). 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 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 idrogeno ed è questo legame che tiene assieme le due catene del DNA. Questo legame ha due caratteristiche fondamentali:

 Conferisce una notevole resistenza al DNA. Questo effetto è dovuto all’elevato numero di legami idrogeno che si formano nel DNA che, pur essendo deboli singolarmente, nel complesso conferiscono una forza attrattiva tra le basi molto elevata.

 Conferisce plasticità al DNA. Sempre in virtù della loro debolezza, i legami idrogeno possono essere

rotti e ricreati facilmente, consentendo al macchinario enzimatico replicativo e trascrittivo di

accedere facilmente all’informazione genetica.

Biologia 31 – DNA – Generalità e struttura 2 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 grado di spiralizzazione è tale da formare delle strutture ben individualizzabili, dette cromosomi.

La spiralizzazione del DNA si concretizza attraverso 5 livelli:

1. La molecola del DNA (2 nm di diametro) si attorciglia, compiendo 2 giri, attorno ad 8 proteine dette istoni.

Il ruolo degli istoni non è solo quello di compattare il DNA per consentire alle cellule di conservarlo in un volume ristretto come quello del nucleo; gli istoni sono anche coinvolti nella regolazione genica facilitando, ad esempio, la trascrizione di un gene oppure contribuendo alla sua inibizione.

A 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 nucleosomi assieme formano una struttura a collana di perle.

2. Un ulteriore compattamento della cromatina lo si ha grazie agli istoni H1, disposti lungo il tratto di DNA 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 (di 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.

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:

 Due bracci. Sono le due porzioni di cromatide divise dal centromero. Ogni cromatide ha un braccio corto, indicato come “p” (da petit=corto), e un braccio lungo, indicato come “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.

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 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, però, 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).

Pertanto, 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 va incontro ad una fase di invecchiamento durante la quale, in a seguito della frammentazione e fusione dei cromosomi (caos genetico) e la cellula entra in apoptosi e muore.

Classificazione dei cromosomi

I cromosomi vengono classificati sulla base di 3 criteri.

 In base alle dimensioni.

I 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.

 In base alla forma.

 Metacentrici, che hanno il centromero posto a metà e le due braccia di lunghezza uguale;

 Submetacentrici, con il centromero posto in posizione non centrale e presenza di un braccio lungo ed uno corto;

 Telocentrici, che hanno il centromero posto all’estremità ed uno dei due bracci quasi inesistente;

 Acrocentrici, con il centromero posto quasi all’estremità e con uno dei due bracci che fa da satellite.

 In base al 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.

Ciascuna regione riguarda un gruppo di bande. All’interno di ciascuna

regione vi è, poi, una suddivisione in bande e sottobande, classificate

anch'esse 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 (quindi, 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).

Biologia 31 – DNA – Generalità e struttura 4 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.

Biologia 31 – DNA – Generalità e struttura 5 Cromosomi sessuali

Sono i due cromosomi che definiscono il sesso nell’essere umano. Costituiscono la coppia n°23 dei cromosomi e sono rappresentati dal cromosoma X e da quello Y.

La combinazione XX da origine ad un individuo di sesso femminile mentre 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 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 cromosomi 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) + 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 sessuale 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.