09 febbraio 2012

Il DNA e il ciclo vitale di una cellula

Il DNA, acido desossiribonucleico, è la molecola che contiene le informazioni necessarie per il funzionamento di ogni essere vivente.
Il DNA, custodito all'interno del nucleo cellulare, controlla e dirige tutte le attività della cellula. Nel nucleo il DNA si presenta sotto forma di cromatina, simile ad un gomitolo: assume questa forma grazie alla presenza di particolari proteine chiamate istoni
Infatti, il DNA della cromatina è avvolto intorno ai nucleosomi, complessi di istoni che rendono il DNA simile ad una collana di perle.
Quando una cellula si duplica, le fibre di cromatina sono molto condensate e sono visibili al  microscopio ottico, sotto forma di cromosomiAll'interno di ciascuna delle nostre cellule (cellule somatiche) ci sono 23 coppie di cromosomi, uno di origine paterna, l'altro di origine materna. Dato che i cromosomi sono presenti a coppie, si dice che la cellula è diploide (in simboli si indica in questo modo: 2n = 46)
Le uniche cellule con un assetto cromosomico diverso sono le cellule germinali (Ovociti nella donna e spermatozoi nell'uomo), queste cellule, infatti, presentano 23 cromosomi (n = 23); in questo caso, si parla di cellula aploide.

La forma estremamente compatta che il DNA assume all'interno del nucleo cellulare è data dalla presenza di proteine, chiamate istoni. Queste proteine si raggruppano e formano i nucleosomi, attorno ai quali si avvolge il DNA. La struttura che ne risulta è simile ad una collana di perleImmagine tratta dal sito  http://www.biology.emory.edu/, dove potete trovare interessanti approfondimenti di biologia molecolare.
L’acido desossiribonucleico ha la forma di una doppia elica
Immagine del DNA tratta da Wikipedia.
Da un punto di vista chimico, la parte esterna è formata da zuccheri pentosi (il deossiribosio, da qui il nome della molecola), cioè a cinque atomi di carbonio, alternati a gruppi fosfato; la parte interna è composta da basi azotate, tenute unite da deboli legami chimici. Le basi azotate sono quattro e si uniscono regole ben precise: l’adenina (A) si lega alla timina (T) mentre la citosina (C) si lega alla guanina (G). Proprio per questa caratteristica distintiva si dice che il DNA è formato da due filamenti complementari. Uno zucchero pentoso, un gruppo fosfato ed una base azotata formano l’unità elementare del DNA: i nucleotidi. La disposizione in sequenza delle quattro basi forma il codice genetico, le cui caratteristiche sono all'origine delle peculiarità di ciascuno di noi. [1]
Immagine del DNA tratta da Wikipedia.

L'intero ciclo vitale di una cellula prende il nome di ciclo cellulare. Il ciclo cellulare può essere schematicamente diviso in due fasi:
  • L'interfase: è la fase tra una mitosi e la successiva, durante la quale la cellula svolge le sue funzioni vitali.
  • La mitosi, ovvero la divisione cellulare che porta alla formazione di due cellule figlie, identiche tra loro e identiche alla cellula che le ha generate (cellula madre).
Schema del ciclo cellulare; immagine tratta dal sito  http://www.torinoscienza.it  , un sito divulgativo ricco di informazioni scientifiche.Il corpo di un essere umano adulto contiene un numero enorme di cellule: circa 60 milioni di milioni!
Il processo di divisione cellulare permette la riproduzione degli organismi unicellulari [2] e la crescita di quelli pluricellulari. Questo processo, inoltre, consente aglio organismi pluricellulari di sostituire le cellule danneggiate o invecchiate. Sono milioni le cellule del nostro corpo che si duplicano, ogni secondo.

La capacità di dividersi delle cellule è differente; si possono riconoscere diverse categorie cellulari: 
  • cellule soggette al rinnovamentoper tutta la vita dell'individuo vengono continuamente sostituite da cellule nuove, come avviene per le cellule della cute. 
  • cellule in espansione: smettono di dividersi quando l'individuo ha completato la sua crescita, ma possono occasionalmente riprendere a dividersi come conseguenza di ferite o traumi, come avviene nel fegato.
  • cellule statiche: perdono la capacità di dividersi prima ancora che l'accrescimento dell'organismo sia completo, come le cellule nervose. Certe cellule, come i globuli rossi non sono capaci di riprodursi (perché privi di materiale genetico) ma sono prodotti dalle cellule staminali del midollo osseo.
La maggior parte del ciclo cellulare è rappresentata dall'interfase; in questo periodo di tempo, che rappresenta il 90% circa della durata complessiva del ciclo cellulare, la cellula compie tutte le sue funzioni vitali. Si distinguono schematicamente 3 fasi:
  • Nella prima fase (simbolo G1) la cellula aumenta di dimensioni e sintetizza le proteine e gli organelli.
  • Nella seconda fase (simbolo  S) la cellula duplica (sintetizza) il proprio DNA. Al termine di questa fase i cromosomi sono doppi: la struttura del cromosoma come quelle in figura, quindi, rappresenta il DNA già duplicato.
L'immagine mostra un cromosoma; tratti di DNA formano i geni, che contengono tutte le informazioni ereditarie. Ogni gene codifica (cioè esprime) una precisa informazione e può presentarsi in due forme alternative, chiamate alleli. L'immagine è tratta da Scientificando, dove trovate un interessante articolo sulle Radiazioni Ionizzanti E Mutazioni Genetiche.
Ogni cromosoma duplicato è formato da due cromatidi fratelli identici e tenuti insieme dal centromero. Immagine tratta da http://www.macroevolution.net/.





La duplicazione del DNA. Si tratta di una processo semi-conservativo: le due nuove molecole di DNA sono, infatti, costituite ciascuna da un filamento di DNA parentale (in azzurro) e da un nuovo filamento neo-sintetizzato (in rosa).  Ciascuna  molecola di DNA dispone della stessa informazione genetica.   

In primo luogo, la doppia elica si apre, poi inizia il processo di sintesi vero e proprio. 
Nella sintesi del nuovo filamento di DNA intervengono numerosi enzimi che utilizzano come stampo il filamento di DNA parentale. Il processo avviene in modo complementare

  • se nel filamento parentale troviamo una timina (T), nel filamento neo-sintetizzato verrà inserita un' adenina (A); 
  • se nel filamento parentale troviamo un'adenina (A), nel filamento neo-sintetizzato verrà inserita una timina (T);   
  • se nel filamento parentale troviamo una citosina (C), nel filamento neo-sintetizzato verrà inserita una guanina (G);   
  • se nel filamento parentale troviamo una guanina (G), nel filamento neo-sintetizzato verrà inserita una citosina(C). 


L'immagine è presa da questo interessante sito in inglese  http://biochem.co/page/3/, dove potere trovare molti spunti di approfondimento. Per approfondire, consiglio questo bel filmato in inglese ma facilmente comprensibile. 

  • Nella terza fase (simbolo G2) la cellula sintetizza le proteine indispensabili per la divisione cellulare.
Alcune cellule, come i neuroni, escono dal ciclo cellare in G1 ed entrano in una fase chiamata G0. Una cella in queste condizioni continua a svolgere le sue funzioni ma non è più sensibile ai fattori di proliferazinoe e, quindi, non è più in grado di riprodursi.

l ciclo cellulare si completa con la mitosi e la citodieresi, cioè la separazione della cellula madre in due cellule figlie.

L'intero processo è controllato da una famiglia di proteine chiamate cicline, che, agendo nei diversi passaggi del ciclo vitale della cellula, ne controllano le progressione da una fase all'altra.
Il grafico mostra la concentrazione delle cicline nelle diverse fasi del ciclo cellulare. Immagine di Wikipedia.

Nel prossimo post vedremo invece, come avviene il processo di divisione cellulare che porta alla nascita di nuove cellule.

Questo post partecipa al Carnevale della Chimica n°14 ospitato il 23 febbraio 2012 da Crescere Creativamente di Maestra Rosalba.

Tania Tanfoglio

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____________________
[1] Questa parte del post è tratta da un mio post precedente: "il DNA: una molecola semplicemente affascinante".

[2] In senso ampio, si può parlare di mitosi anche per le cellule semplici dei batteri, le cellule procarioti; in questo caso ci si riferisce in modo generico al processo con il quale questi organismi si suddividono, ma il processo è molto più semplice; è bene ricordare che queste semplici forme di vita presentano un DNA di forma circolare, immerso nel citoplasma e non protetto dal nucleo. Per questi motivi, nei procarioti si preferisce parlare di scissione binaria

3 commenti:

  1. Salve Tania! La funzione degli istoni è derminare la compattazione della cromatina?
    Per ottenere una maggiore condensazione della cromatina si deve agire sulle code degli istoni?
    Grazie

    RispondiElimina
    Risposte
    1. Ciao Giulia,
      L'unità funzionale della cromatina sono i nucleosomi.
      I nucleosomi sono formati da proteine: gli istoni.
      Le diverse varianti istoniche sono in grado di modulare la “compattezza”della cromatina in tratti specifici di DNA.
      Esperimenti di mutagenesi hanno evidenziato che, mutazioni, negli istoni, alterano l'espressione genica oppure sono letali.
      Il loro ruolo non è, dunque, solo quello legato alla compattazione della cromatina: verosimilmente regolano anche l'espressione genica.
      Le modificazioni delle code istoniche controllano la condensazione della cromatina: sono necessarie affinchè la cromatina possa
      condensarsi da una struttura a filo di perle ad una fibra di 30nm.
      Per approfondire:
      http://apollo11.isto.unibo.it/Medicina/Biologia/5.%20Cromatina-%20struttura%20e%20funzione.pdf
      http://ermialuthien.altervista.org/PoloCMedicina/Controllo_dell_espressione_genica.pdf
      Copia i link ed incollali nella barra in alto!
      Ciao,
      Tania

      Elimina

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