Il cromosoma

Facendo mente locale, è meglio chiarire una volta per tutte cosa effettivamente sia il cromosoma, il genoma, la cromatina ecc. e differenziare il corredo genetico procariote e quello eucariote.

• Il termine genoma indica il patrimonio genetico; in particolare, il genoma procariote:

1. Trattasi di un unico lungo cromosoma costituito da un'unica molecola di DNA circolare a doppio filamento composta da (parlando di ordine di grandezza) qualche milione di basi azotate.
2. In assenza di membrana nucleare, esso si compatta in una regione delimitata e irregolare della cellula detta nucleoide.

• Parlando del genoma eucariote, invece, possiamo dire che:

1. Si suddivide in più cromosomi contenuti nel nucleo delle cellule.
2. Contiene una quantità maggiore di DNA: parliamo infatti di una molecola di DNA lineare a doppia elica composta da (sempre in ordine di grandezza) qualche miliardo di basi azotate.
3. Il DNA non si presenta mai da solo: esso è sempre combinato con delle proteine.
4. Presenta parecchie sequenze prive di apparenti funzioni.
5. Risulta molto più complesso nell'organizzazione delle sequenze di DNA che forniscono informazioni alla cellula e nella regolazione dell'attività enzimatica. 

• Approfondendo il punto 3, il DNA assemblato a delle proteine è presente, nel nucleo, sottoforma di una sostanza detta cromatina. In particolare, differenziamo la eucromatina (più dispersa) dalla eterocromatina (più condensata): l'eucromatina è quella effettivamente attiva e che, quindi, trasmette le informazioni e sintetizza le proteine mentre l'eterocromatina, non coivolta in questi processi, sembra essere la costituente maggiore delle sequenze ripetitive del DNA (punto 4) e che svolge più un ruolo quasi di struttura.
• La maggior parte delle proteine presenti nella cromatina sono più che altro 5 catene polipeptidiche relativamente piccole dette istoni, tutti basici (dalle cariche positive) che quindi sono fortemente attratti dal DNA (acido): cromatina e istoni sono compattati in numerose unità di base dette nucleosomi, somiglianti a delle perle di collana.

• Il nucleosoma è formato da una "base" costituita da un ottamero di istoni, 2 per tipo, dove si avvolge intorno il filamento di DNA ben due volte; l'istone H1, l'ultimo tipo, aderisce esternamente alla struttura formatasi come un moschettone.

• Il cromosoma è il risultato della spiralizzazione condensata di una rete di proteine (matrice nucleare) nella quale si sono inseriti i nucleosomi precedentemente compattati in fibre.

• In particolare:
1. Il singolo "bastoncello" è detto cromatidio
2. I cromatidi sono legati dal centromero, regione di DNA ripetuto (eterocromatina) che li tiene insieme e li divide in due parti, i bracci.
3. I telomeri sono le estremità terminali dei cromosomi: anch'essi sono formati da eterocromatina; sono molto importanti perchè impediscono la perdita di patrimonio genetico
4. Il cinetocore è una delle strutture proteiche che compone il centromero e ha ruolo di aggancio coi microtubuli del fuso mitotico.

Più sopra: struttura del cromosoma; meno sopra: fotografia a microscopio elettronico di alcuni cromosomi (la parte in fucsia-rosa rappresenta la regione di collocazione dei telomeri)

Meiosi: cellule sessuali

Facendo mente locale, è meglio chiarire una volta per tutte cosa effettivamente sia il cromosoma, il genoma, la cromatina ecc. e

• Il termine genoma indica il patrimonio genetico; in particolare, il genoma procariote:

1. Trattasi di un unico lungo cromosoma costituito da un'unica molecola di DNA circolare a doppio filamento composta da (parlando di ordine di grandezza) qualche milione di basi azotate.
2. In assenza di membrana nucleare, esso si compatta in una regione delimitata e irregolare della cellula detta nucleoide.

• Parlando del genoma eucariote, invece, possiamo dire che:

1. Si suddivide in più cromosomi contenuti nel nucleo delle cellule.
2. Contiene una quantità maggiore di DNA: parliamo infatti di una molecola di DNA lineare a doppia elica composta da (sempre in ordine di grandezza) qualche miliardo di basi azotate.
3. Il DNA non si presenta mai da solo: esso è sempre combinato con delle proteine.
4. Presenta parecchie sequenze prive di apparenti funzioni.
5. Risulta molto più complesso nell'organizzazione delle sequenze di DNA che forniscono informazioni alla cellula e nella regolazione dell'attività enzimatica. 

• Approfondendo il punto 3, il DNA assemblato a delle proteine è presente, nel nucleo, sottoforma di una sostanza detta cromatina. In particolare, differenziamo la eucromatina (più dispersa) dalla eterocromatina (più condensata): l'eucromatina è quella effettivamente attiva e che, quindi, trasmette le informazioni e sintetizza le proteine mentre l'eterocromatina, non coivolta in questi processi, sembra essere la costituente maggiore delle sequenze ripetitive del DNA (punto 4) e che svolge più un ruolo quasi di struttura.
• La maggior parte delle proteine presenti nella cromatina sono più che altro 5 catene polipeptidiche relativamente piccole dette istoni, tutti basici (dalle cariche positive) che quindi sono fortemente attratti dal DNA (acido): cromatina e istoni sono compattati in numerose unità di base dette nucleosomi, somiglianti a delle perle di collana.

• Il nucleosoma è formato da una "base" costituita da un ottamero di istoni, 2 per tipo, dove si avvolge intorno il filamento di DNA ben due volte; l'istone H1, l'ultimo tipo, aderisce esternamente alla struttura formatasi come un moschettone.

• Il cromosoma è il risultato della spiralizzazione condensata di una rete di proteine (matrice nucleare) nella quale si sono inseriti i nucleosomi precedentemente compattati in fibre.

• In particolare:
1. Il singolo "bastoncello" è detto cromatidio
2. I cromatidi sono legati dal centromero, regione di DNA ripetuto (eterocromatina) che li tiene insieme e li divide in due parti, i bracci.
3. I telomeri sono le estremità terminali dei cromosomi: anch'essi sono formati da eterocromatina; sono molto importanti perchè impediscono la perdita di patrimonio genetico
4. Il cinetocore è una delle strutture proteiche che compone il centrosoma e ha ruolo di aggancio coi microtubuli del fuso mitotico.

A sinistra: struttura cromosoma; a destra: fotografia a microscopio elettronico di alcuni cromosomi (la parte in fucsia-rosa rappresenta la regione di collocazione dei telomeri)

Ciclo cellulare: cellule somatiche

La cellula è in grado di riprodursi in modo magistrale: infatti, ogni cellula (in questo caso trattasi delle cellule somatiche) "di partenza", detta cellula madre, al termine di una serie di processi, darà origine a due cellule "d'arrivo", dette cellule figlie, che saranno geneticamente identiche!

• Questa serie di processi tutt'altro che banali prende il nome di ciclo cellulare. Esso consiste in 2 fasi: la fase I (l'interfase) e la fase M (composta da mitosi e citodieresi).

• In particolare, la fase I è composta da altri 3 differenti momenti:

1. La fase G1 (da Gap, alias intervallo) è il momento iniziale dell'interfase quando la cellula è nelle sue normali condizioni; nel caso in cui la cellula interessata sia una neo-cellula figlia, la fase G1 comprende la stabilizzazione della stessa (ritorno alle dimensioni normali, aumento del numero di certi organuli...).
2. La fase S (da Synthesis, alias sintesi) è il processo chiave della divisione cellulare, oltre che il più lungo e complesso: infatti, è proprio durante fase S che avviene la duplicazione del DNA e la sintesi delle numerose proteine correlate ad esso.
3. La fase G2 è l'atto culmine dell'interfase quando la cromatina appena duplicata comincia a spiralizzarsi; nel frattempo, si assiste alla formazione di parecchie proteine necessarie per attuare la mitosi, l'imminente processo successivo (e, nel caso delle cellule animali, alla separazione del centrosoma in due coppie di centrioli poste dalla stessa parte).

• La fase M è il processo di effettiva duplicazione delle cellule somatiche; in particolare, la mitosi comprende 4 diverse fasi:

1. Nella profase si identifica una sorta di preparazione, nella quale avvengono: il completamento della spiralizzazione della cromatina in strutture dette cromosomi, la formazione del fuso mitotico e la scomparsa del nucleolo e della membrana nucleare (e, nel caso delle cellule animali, il posizionamento delle singole coppie centrioli presso i poli della cellula).
2. Durante la metafase i cromosomi si agganciano alle fibre del fuso che li posizionano verso il piano equatoriale della cellula.
3. L'anafase consiste nella scissione dei cromosomi nei due cromatidi che li componevano: ogni cromatidio, quindi, si allontana dall'altro e il fuso trascina le diverse coppie verso i poli opposti.
4. La telofase, infine, è un processo di "ritorno": infatti, una volta che i cromatidi hanno raggiunto i poli, essi cominciano a despiralizzarsi, il fuso si disgrega e si riformano, però, due mebrane nucleari e due rispettivi nucleoli.

• A questo punto, segue la citodieresi: il processo consiste nell'effettiva spartizione equa di organuli e citoplasma nelle due cellule figlie. Nelle cellule animali, la citodieresi avviene mediante un anello contrattile locato nel piano equatoriale della cellula che ridurrà la connessione delle cellule fino ad un sottile filamento che finirà col "strozzarsi" del tutto; nelle cellule vegetali, essa consiste nella formazione di vescicolette (prodotte dagli apparati di Golgi) che si dispongono per la linea mediana e si fondono per creare una piastra cellulare la quale divide le cellule figlie ai due lati sui quali si formeranno le nuove pareti cellulari che separeranno del tutto le cellule figlie.

DNA: duplicazione

Durante la fase S del ciclo cellulare, avviene la duplicazione del DNA, un processo fondamentale per la trasmissione del corredo genetico e quindi per il proseguimento della vita stessa; ciò che più dell'incredibile è che le informazioni relative questa autoriproduzione sono contenute nella molecola stessa! Data la notevole importanza, anche la difficoltà del processo lo è eccome: numerosi sono gli enzimi coinvolti e ancora oggi non si possiedono conoscenze del tutto complete. Comunque, le modalità generali con cui avviene tutto ciò sono piuttosto chiare.

• Innanzitutto, occorre precisare che l'autoriproduzione del DNA avviene da una specifica sequenza di nucleotidi, detta origine della duplicazione: la regione in cui essa avviene è detta bolla di duplicazione.
• La duplicazione del DNA non è statica: la descrizione sottostante si riferisce ad una situazione particolare ma il processo è continuo. 
• Il processo è, grossomodo, il seguente:

1. L'autoriproduzione inizia con l'intervento di un enzima mirato alla rottura dei legami a idrogeno tra le basi azotate dei due filamenti, separandoli: trattasi della DNA elicasi.
2. Intervento dell'enzima DNA topoisomerasi che limita l'azione della DNA elicasi (posizionandosi sul "polo" della bolla, la forcella di duplicazione) contemporaneo all'azione delle S.S.B.P. (Single Strand Binding Proteins) che impedisce la riformazione della doppia elica.
3. Intervento dell'enzima DNA primasi che inserisce una sequenza provvisoria composta da nucleotidi di RNA (il primer) in modo da comunicare un punto di partenza per la sintesi vera e propria.
4. Interviene una serie di enzimi definita nell'insieme DNA polimerasi III che è in grado di unire dei nucleotidi già presenti nella cellula (i deossiribonucleotidi trifosfato, siglati in dNTP) nella direzione 5'-3' mediante l'energia prodotta dalla sua azione separante i due gruppi fosfato eccedenti: il filamento che prosegue per quel verso è detto filamento guida, poichè il processo avviene senza rallentamenti.
5. Nel caso dell'antiparallelo, definito filamento in ritardo, la DNA primasi forma numerosi primer, costringendo la DNA polimerasi III ad agire a ritroso e in modo discontinuo (effettuando una sorta di riempimento tra i vari primer, i cosidetti frammenti di Okazaki).
6. I primer di RNA sono sostituiti da nucleotidi di DNA dall'enzima DNA polimerasi I.
7. Intervento dell'enzima DNA ligasi sul filamento in ritardo per renderne l'andamento continuo, mediante l'induzione dei legami covalenti mancanti o poco stabili tra i frammenti di nucleotidi.

• Durante questo processo che avviene in tempi molto brevi (considerate la quantità di informazioni da duplicare) avviene un costante controllo dell'andamento della duplicazione: esso è definito proofreading e consiste nel correggere eventuali errori compiuti. Questo procedimento è già intrinseco nella DNA polimerasi che identifica l'errato inserimento dei nucleotidi complementari; ovviamente, esistono molti altri enzimi protagonisti del proofreading.
• Il processo di proofreading è talmente preciso che in media si riscontrano solamente 1-2 errori al termine della duplicazione di circa 3 miliardi di informazioni: inoltre, per riparare questi errori che possono comunque risultare fatali, la cellula è solitamente in grado di ripararli, evitando così di incorrere ad una mutazione. 
• Esistono diversi altri metodi di proofreading, tra i quali (il più frequente e comune a procarioti ed eucarioti) la riparazione per escissione dei nucleotidi, che avviene grazie agli enzimi della "famiglia" Uvr, oltre che all'azione di DNA ligasi e DNA polimerasi.

DNA: struttura

DNA è la sigla che si è data ad una macromolecola nota come Acido DeossiriboNucleico. Oggigiorno, sappiamo che è proprio questo polimero formato da soli 4 unità (nucleotidi) ad avere il ruolo di materiale genetico e non le proteine, come si riteneva più probabile in origine.

• Il DNA è costituito da monomeri detti nucleotidi. Essi sono tutti composti da uno zucchero (il deossiribosio) legato ad un gruppo fosfato (in corrispondenza dell'atomo di carbonio numero 5) e ad una base azotata (in corrispondenza dell'atomo di carbonio numero 1): dato che i primi due composti rimangono fissi, esistono 4 diversi tipi di nucleotidi che differiscono tra loro solamente per il tipo di base azotata (ne esistono, infatti, di 4 tipi).
• Le basi azotate sono suddivise in due gruppi che, a prime analisi, differiscono per forma: trattasi delle purine (adenina e guanina), strutturate a due "anelli" (pentagonali), e delle pirimidine (timina e citosina), strutturate ad un solo "anello" (esagonale). 

Il DNA si presenta come una doppia elica lunga 2 metri erotti e spiralizzata. In particolare:

• Chiamiamo solco la distanza tra due spire del doppio filamento: si differenzia il solco maggiore ("spazio vuoto" dell'elica) dal solco minore ("spazio pieno" dell'elica).
• La distanza tra i due montanti della doppia elica (il diametro) misura 2 nm (nanometri).
• La distanza tra le basi di due nucleotidi misura 0,34 nm; inoltre, l'elica del DNA compie un giro completo ogni 10 basi azotate circa, quindi ad ogni 3,4 nm circa.

• I nucleotidi del singolo filamento sono legati tra loro tramite un legame covalente che avviene tra il deossiribosio del primo nucleotide e il gruppo fosfato del secondo; inoltre, si nota che da una parte il gruppo fosfato si lega al quinto atomo di carbonio dello zucchero, mentre dall'altra si lega al terzo atomo di carbonio del suo anello.
•  Tuttavia, se nel primo filamento un'estremità termina col gruppo fosfato, nel secondo filamento la stessa termina col gruppo ossidrilico: i due filamenti, quindi, proseguono in verso opposto e perciò sono definiti antiparalleli.
• I nucleotidi dei due diversi filamenti, invece, interagiscono per mezzo di legami a idrogeno che avvengono tra le basi azotate: si riscontra, inoltre, che le interazioni non sono casuali, bensì ogni purina è legata ad una pirimidina secondo le coppie adenina-timina (le uniche ad appaiarsi con due legami a idrogeno) e guanina-citosina (le uniche ad appaiarsi con tre legami a idrogeno).
• Ne consegue, allora, che le basi azotate sono complementari: infatti, ad una sequenza casuale di nucleotidi di un filamento, corrisponderà sempre una determinata sequenza di nucleotidi dall'altro.