Nel corso della divisione cellulare la cromatina si condensa a formare i cromosomi, i quali sono circa 40.000 volte più densi della fibra di 10 nm. Essi sono strutture bastoncellari che servono a poter distribuire equamente il DNA tra le cellule figlie. I componenti dei cromosomi sono 4:
CROMATIDI alla metafase ciascun cromosoma risulta formato da due strutture simmetriche, i cromatidi, contenenti ognuna un’unica molecola di DNA. Essi sono esattamente uguali (cromatidi fratelli) e sono uniti fra loro a livello del centromero
CENTROMERO è la regione di attacco degli elementi del fuso mitotico sul cromosoma. È situato in un tratto più sottile del cromosoma detto costrizione primaria
TELOMERO estremità dei cromosomi contenenti l’inizio e la fine della molecola di DNA che costituisce il cromatidio
ORGANIZZATORE NUCLEOLARE si trovano in alcuni cromosomi che presentano costrizioni secondarie in cui ci sono regioni contenenti i geni che inducono la formazione del nucleolo
TEORIA UNINEMICA: ciascun cromatidio rappresenta un’unica molecola lineare di DNA con le proteine ad essa associate
I cromosomi vengono classificati in quattro tipi a seconda della forma determinata dalla posizione del centromero:
METACENTRICI il centromero è posto a metà dei cromatidi e quindi le braccia sono uguali
SUBMETACENTRICI le braccia sono di lunghezza differente
ACROCENTRICI presentano un braccio cortissimo dove si trova la costrizione secondaria all’estremità della quale c’è una regione sferoidale detta satellite
TELOCENTRICI il centromero è posto ad un estremo
La cromatina si condensa nel corso della mitosi e si decondensa alla telofase. Ma ci sono alcune regioni dei cromosomi che non si decondensano e rimangono compatte anche durante l’interfase. Queste regioni vengono chiamate eterocromatine, mentre le altre eucromatina.
Nell’eterocramatina il DNA è molto denso e si presenta in forma di fibra di 20-30 nm cioè si tratta di DNA inattivo.
L’esempio più noto è quello della coppia di cromosomi X nelle femmine dei mammiferi: uno dei due cromosomi è attivo e rimane eucromatico mentre l’altro è inattivo e costituisce il corpo di Barr nell’interfase.
Un altro esempio è quello del gatto di Spagna. Questo esemplare presenta un mantello a macchie nere e arancioni (a placche di tartaruga), ma solo le femmine. Questo perché la macchiatura un gene contenuto nel cromosoma X diventa eterocromatico e non attivo in alcuni gruppi di cellule e non in altri. In stadi precoci dell’embriogenesi, in ogni cellula della femmina di mammifero uno dei cromosomi X diventa inattivo a caso, di conseguenza nell’adulto si forma un mosaico in cui il 50% di cellule hanno un cromosoma X attivo di origine paterna e l’altro 50% un cromosoma X attivo di origine materna
IL CICLO CELLUARE
Una cellula in accrescimento presenta un ciclo cellulare che consiste essenzialmente in due periodi: l’interfase e la divisione. L’interfase presenta tre periodi che vengono chiamati fase G1,S e G2.
Fase G1: la cellula raddoppia le sue dimensioni e aumentano di numero organuli e molecole organiche
Fase S: avviene la duplicazione del DNA
Fase G2: vengono prodotte le strutture necessarie alla divisione cellulare, la cromatina inizia a spiralizzarsi
Mitosi: avvine la divisione cellulare
Duplicazione del DNA
La duplicazione del DNA avviene nella fase S (sintesi) del ciclo cellulare d’ogni cellula.
La replicazione del DNA è semi-conservativa: questo significa che ogni molecola figlia contiene una catena parentale e una neo sintetizzata.
Il primo passo verso la replicazione semi-conservativa è la separazione delle due catene complementari nel punto in cui deve cominciare la replicazione; in modo che ciascuna catena sia libera di fungere da stampo per la polimerizzazione di una nuova catena complementare. La polimerizzazione è catalizzata dall’enzima DNApolimerasi; che seleziona i deossinucleotidi trifosfati (d-ATP, d-TTP, d-GTP, d-CTP) e li lega uno dopo l’altro con legame fosfodiestere 3’-5’. L’enzima lega il fosfato presente su un deossinucleotide trifosfato al gruppo OH legato al carbonio 3’ del deossiribosio appartenente al nucleotide terminale della catena in crescita. Nella reazione i due gruppi fosfati terminali si staccano sotto forma di pirofosfato.
La DNApolimerasi catalizza solo l’allungamento unidirezionale di una catena, cioè può aggiungere nucleotidi solo all’estremità 3’ ma non all’estremità 5’. La DNApolimerasi può catalizzare l’aggiunta di nucleotidi all’estremità 3’ di una catena esistente ma non è in grado di iniziare una nuova catena. Per iniziarla è, infatti, necessario un innesco o primer cui aggiungere (all’estremità 3’) i nucleotidi in sequenza. Nella cellula fa da innesco una breve catena di RNA. L’innesco è sintetizzato come segue:
1. prima avviene una dissociazione circoscritta delle due catene su un tratto interno alla molecola di DNA
2. un enzima detto primasi catalizza la formazione di una breve catena di RNA a partire da ribonucleotidi trifosfati (ATP, UTP, CTP, GTP) [la primasi a differenza della DNApolimerasi è capace di dare inizio ad una catena]
3. l’innesco di RNA resta appaiato allo stampo, poi arriva la DNApolimerasi che estende la catena per aggiunta di deossinucleotidi all’innesco
4. naturalmente si forma un innesco su ciascuna catena parentale e i due inneschi hanno polarità opposta e quindi le due catene figlie crescono in direzioni opposte
5. man mano che le catene figlie si estendono alla loro estremità 3’ la doppia elica si apre a cerniera in entrambe le direzioni
6. il punto di rotolamento dell’elica si chiama forcella replicativi
7. man mano che la forcella avanza lascia dietro di se una zona a singolo filamento su ciascuna delle catene parentali. A questo punto si formano nuovi inneschi che sono poi prolungati per riempire a ritroso le parti non replicate delle catene parentali
8. gli inneschi sono poi rimossi quando i frammenti sintetizzati indietro (Okazaki) incontrano l’estremità 5’ dell’innesco del tratto precedente. Quando avviene l’incontro la DNApolimerasi stacca uno dopo l’altro i nucleotidi dell’innesco e aggiunge simultaneamente deossinucleotidi
9. quando tutto l’innesco è stato rimosso le due estremità sono unite dalla DNAligasi
Nella replicazione del DNA bisogna considerare il problema che la separazione delle due catene richiede la despiralizzazione della doppia elica. La doppia elica fa un giro completo ogni 10 paia di basi. Quindi ogni 10 basi separate e svolte a livello della forcella replicativa, la doppia elica a valle deve fare un giro in direzione opposta.
In E.coli la forcella si apre alla V=60000 paia di basi al minuto, il che richiederebbe che la doppia elica a valle facesse 6000 giri al minuto (negli eucarioti la V è 10 volte inferiore). La rotazione di tutto il DNA a valle della forcella è bloccato dalle numerose proteine associate perciò in mancanza di rotazione, la torsione della doppia elica a valle ostacolerebbe la despiralizzazione e impedirebbe la replicazione. Il problema è stato risolto grazie all’enzima topoisomerasi che crea rotture transitorie in un singolo filamento a breve distanza dalla forcella replicativa. Queste rotture si creano e si riparano rapidamente ad opera della stessa topoisomerasi.