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I cromosomi e la mitosi
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I CROMOSOMI E LA MITOSI
Introduzione
Ogni cellula ha origine da una cellula preesistente, mediante un processo di divisione
cellulare. In questo modo, gli organismi unicellulari procarioti ed eucarioti si riproducono,
mentre gli organismi pluricellulari, oltre a riprodursi, sono in grado di riparare i loro tessuti,
di crescere e di svilupparsi.
Qualsiasi cellula, unità vivente, contiene una informazione ereditabile, scritta nel suo
DNA ed organizzata in unità di informazione, chiamati geni.
Quando una cellula procariote, ma soprattutto eucariote si divide, deve affrontare un
difficile problema: trasmettere l’enorme quantità di informazione genetica alle cellula figlie,
senza commettere errori o danneggiare irrimediabilmente il filamento di DNA, che essendo
enormemente lungo può facilmente aggrovigliarsi e rompersi. Il materiale genetico nel
nucleo di una cellula eucariote deve quindi essere precisamente impacchettato prima di
essere consegnato alla cellule figlie. E ciò avviene mediante l’intervento di speciali
molecole proteiche, come gli istoni e le proteine dell’impalcatura (scaffold).
L’insieme delle trasformazioni a cui una cellula eucariote va incontro durante il processo di
divisione, prende il nome di mitosi. Alla mitosi segue poi una fase di citocinesi, in cui una
cellula che ha diviso il proprio materiale genetico (nucleo) da origine a due cellule figlie.
In questi appunti non si prende in considerazione la divisione delle cellule procarioti
(scissione binaria), che sarà trattata in altra occasione.
I CROMOSOMI DEGLI EUCARIOTI
Nelle cellule eucarioti, durante la mitosi sono ben visibili i cromosomi. Essi sono
corpuscoli nucleoproteici, cioè formati da una molecola di acido nucleico (DNA) e
proteine. Il termine “cromosoma” vuol dire “corpo colorato”. Tuttavia i cromosomi, sono
privi di colore ed il loro nome mette in evidenza la loro capacità a colorarsi in presenza di
certi tipi di colorante (sostanze acidofile come eosina e giemsa).
Il costituente dei cromosomi si chiama cromatina che è formata appunto a DNA (acido
desossiribonucleico) e proteine. Quando la cellula non è in divisione, la cromatina è
parzialmente despiralizzata e i singoli cromosomi sono aggregati l’uno all’altro all’interno
del nucleo che appare quindi uniforme se osservato al microscopio ottico e granulato se
osservato al microscopio elettronico.
L’insieme dei cromosomi di un organismo è detto genoma di quell’organismo. In altre
parole, il genoma è l’intera informazione genetica di un organismo vivente, cioè l’insieme
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di tutti i suoi geni. I geni quindi risiedono nei cromosomi. Un genoma può essere costituito
da migliaia di geni. Di recente, il Progetto Genoma Umano ha stimato in 30000 il numero di
geni che formano il genoma dell’uomo: molto minore del numero di geni contenuti nel
genoma del moscerino della frutta (Drosophila melanogaster). Quindi:
IL DNA DI UN ORGANISMO E’ ORGANIZZATO IN
UNITA’ DI INFORMAZIONE CHIAMATE GENI
Ma cosa è un gene?
Un gene può essere definito come un frammento di DNA con specifiche e determinate
proprietà funzionali. In pratica, un gene fornisce l’informazione necessaria allo svolgimento
di una o più funzioni all’interno della cellula. In definitiva, un gene è responsabile di una o
più caratteristiche di un organismo.
La quantità di DNA presente in una cellula è enorme. Ad esempio, una singola cellula
batterica, contiene un’unica molecola di DNA formata da ben 4x106 coppie di basi.
Linearizzando questa molecola, essa sarebbe lunga più di un millimetro (basta moltiplicare
il numero di coppie di basi per la distanza tra due coppie di basi ne l genoma: 4x106 x 3,4 Å
= 1,36mm). In una cellula eucariote è presente mediamente una quantità circa 1000 volte
maggiore a quella di una cellula batterica. Il DNA di un singolo spermatozoo umano,
contiene circa 3x109 coppie di basi che stese in linea retta raggiungerebbero la
ragguardevole lunghezza di oltre di un metro!
Per compattare in modo altamente organizzato tutto questo DNA, la cellula si serve di
speciali proteine chiamate istoni, composte da amminoacidi basici che nelle loro catene
laterali presentano cariche positive in grado di legarsi al filamento di DNA che invece è
carico negativamente per la presenza dei gruppi fosfato. Gli istoni si aggregano in gruppi di
8 a formare un ottamero e intorno a ciascun gruppo si avvolge un segmento di DNA
composto da 146 coppie di basi In questo modo si formano delle strutture chiamate
nucleosomi. I nucleosomi sono legati insiene da corte sequenze di DNA linker o DNA di
giunzione. Più nucleosomi con i loro DNA linker, somigliano, visti al microscopio
elettronico, a delle collane di perle:
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La doppia elica di DNA, spessa 2nm, avvolta a formare i nucleosomi, raggiunge lo spessore
di 11nm. Le varie perle nucleosomiche, si assemblano tra di loro mediante un quinto tipo di
proteina istonica chiamata proteina H1 che, legandosi al DNA linker fa da ponte fra due
nucleosomi consecutivi. In questo modo si forma una fibra di DNA dello spessore di 30nm.
A sua volta, questa fibra si lega ad una impalcatura proteica (scaffold), formando una serie
di anse. Questo sistema di anse, altamente organizzato, raggiunge lo spessore di 300nm. A
questo punto, il DNA, ormai già fortemente condensato, continua ad avvolgersi in una
struttura dello spessore di 700nm, a formare un intero cromosoma ormai completamente
condensato.
Tutti gli individui di una data specie possiedono, nelle loro cellule, uno stesso numero di
cromosomi. Gli esseri umani hanno tutti normalmente 46 cromosomi. Alcuni granchi hanno
fino a 200 cromosomi, mentre una specie di anellidi ne possiede soltanto due. Anche negli
organismi vegetali i numeri cromosomici sono molto variabili. Ad esempio, l’ulivo ha come
l’uomo, 46 cromosomi, ma in alcune felci, si superano le mille unità.
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I CROMOSOMI DI SPECIE DIVERSE, DIFFERISCONO NEL
NUMERO, NELLA FORMA E NEL CONTENUTO DI GENI
Si definisce ciclo cellulare, l’intervallo di tempo che intercorre dalla nascita di una cellula
al momento in cui essa si riproduce.
La durata del ciclo cellulare è in genere molto variabile e dipende non solo dal tipo di
cellula, ma anche dalle condizioni ambientali in cui essa cresce.
Una cellula procariote, in presenza di abbondanti sostanze nutritive ed alla giusta
temperatura, si divide mediamente ogni 20 minuti. Negli eucarioti, il ciclo cellulare è di più
lunga durata: in genere compresa tra le 8 e le 20 ore. Va comunque sottolineato che ci sono
cellule che smettono del tutto di dividersi.
Un tipico ciclo cellulare di un eucariote, può essere schematicamente suddiviso in due fasi
principali: l’interfase e la fase M. La fase M è la fase di divisione cellulare è può a sua
volta essere distinta in mitosi e citocinesi.
Durante la mitosi, come vedremo, il materiale genetico della cellula madre viene diviso
equamente in due nuclei. Nella fase di citocinesi, che comincia prima del completamento
della mitosi, si divide il citoplasma della cellula madre in modo che si formino due cellule
figlie con uguale corredo genetico (genoma). In alcune linee cellulari, si possono verificare
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più eventi mitotici ciascuno non seguito da citocinesi. In questo modo si formano cellule
polinucleate tipiche i alcuni tipi di cellule.
Il periodo di interfase, è, come si vede nel diagramma precedente, a sua volta suddiviso in
una fase G1 (G sta per gap, cioè intervallo) in cui la cellula si accresce e aumenta il numero
di organuli citoplasmatici, a cui fa seguito una fase S di sintesi durante la quale avviene la
replicazione del materiale genetico. Completata la sintesi del DNA la cellula entra in fase
G2, di preparazione alla divisione cellulare. In questa fase si assiste ad un incremento della
sintesi proteica.
Alcune cellule, come i neuroni, non si dividono e si arrestano in fase G1 che in questi casi
prende nome di fase G0
Con la fase G2 ha termine l’interfase ed inizia la divisione cellulare.
La mitosi, che ha inizio dopo la fase G2, viene schematicamente distinta in 4 fasi principali:
PROFASE → METAFASE → ANAFASE →
TELOFASE
PROFASE
La membrana nucleare inizia a scomparire, mentre al suo interno i cromosomi, gia duplicati
durante la fase S iniziano a condensare. Il nucleolo scompare. Ogni cromosoma, è composto
da due unità identiche chiamate cromatidi fratelli, uniti in corrispondenza di una regione
chiamata centromero.
Il centromero è formato da specifiche sequenze di DNA associate a proteine. Inoltre, al
centromero è associato un complesso proteico che prende il nome di cinetocore, importante
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nella migrazione di ciascun cromatidio durante l’anafase, ad opera delle proteine
microtubulari.
Ecco un disegno schematico dell’aspetto di una cellula in profase:
Inoltre, i due centrioli, duplicati in interfase, formano due coppie che migrano ai due poli
della cellula e prendono parte alla organizzazione del fuso mitotico: una gabbia proteica
composta di microtubuli entro la quale avviene la migrazione dei cromosomi ai poli
opposti del fuso. L’organizzazione del fuso non è stata ancora compresa in dettaglio, ed
esistono differenze tra cellule animali e vegetali. In entrambe, a ciascun polo è presente una
zona che prende nome di centro organizzatore dei microtubuli (MTOC in lingua
inglese), dal quale partono le fibre microtubulari del fuso. Nelle cellule animali, il MTOC è
organizzato in un centrosoma e contiene una coppia di centrioli circondati da una regione
definita sostanza pericentriolare. Nelle cellule vegetali, mancano i centrioli e il MTOC
appare privo di struttura. Al termine della profase, ogni cromatidio si lega ad alcune fibre
del fuso mediante il proprio cinetocore, mentre, dalla sostanza pericentriolare si irradiano
una serie di microtubuli che conferiscono un aspetto stellato allaregione che prende nome di
aster.
Ecco uno schema che illustra l’aspetto di una cellula in profase avanzata:
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METAFASE
I cromosomi dicromatidici, ormai ben visibili e distinguibili al microscopio ottico, si
dispongono allineati lungo il piano equatoriale del fuso, formando la cosiddetta piastra
metafasica. Ciascun cromatidio è legato mediante alcune fibre microtubulari, ad un polo
della cellula. Le fibre si distinguono in microtubuli polari, che si sovrappongono
parzialmente in prossimità dell’equatore, e microtubuli del cinetocore dette anche fibre
cromosomiche del fuso che si legano a ciascun cromatidio:
ANAFASE
I cromatidi fratelli si separano in seguito alla replicazione delle sequenze del DNA
centromerico. A questo punto ogni cromatidio è un cromosoma. I cromosomi fratelli
neoformati migrano durante l’anafase, verso i poli opposti del fuso, trascinati dai
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microtubuli del cinetocore che si accorciano. Essi infatti sono strutture dinamiche e durante
l’anafase, in prossimità di ciascun cinetocore vengono sottratte subunità di tubulina alle
fibre che in tal modo si accorciano. Inoltre, in questa fase, il fuso mitotico subisce un
allungamento a causa dello scorrimento dei microtubuli polari, in corrispondenza delle
sovrapposizioni equatoriali.
TELOFASE
I cromosomi monocromatidici giungono ai poli opposti del fuso mitotico e iniziano a
decondensarsi despiralizzandosi, riappare la membrana nucleare intorno ad ogni set di
cromosomi e cominciano a riorganizzarsi le regioni dei nucleoli. Il fuso mitotico scompare.
CITOCINESI
Verso la fine della mitosi inizia a dividersi anche il citoplasma. Nelle cellule animali in
prossimità della regione equatoriale e perpendicolarmente al fuso, si forma un anello di
microfilamenti di actina, che circonda la cellula. La contrazione di questo anello determina
una strozzatura del citoplasma che assume una vaga forma a clessidra, e alla fine si divide
completamente. Nelle cellule vegetali, dotate di parete rigida, la citocinesi avviene in
seguito alla formazione di una piastra cellulare, per fusione, nella zona equatoriale, di una
serie di vescicole prodotte dall’apparato di Golgi. Il materiale fuoriuscito dalle vescicole
andrà a formare parte della nuova parete, mentre le membrane delle vescicole formeranno la
nuova membrana plasmatica.
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L’immagine precedente rappresenta schematicamente, la telofase e la citocinesi in cellule
animali, mentre quella seguente mostra la telofase in atto nelle cellule vegetali:
Vale la pena di sottolineare ancora una volta, che il sofisticato meccanismo mitotico
consente alle due cellule figlie di ottenere esattamente lo stesso numero di cromosomi e
quindi la stessa informazione genetica. Errori durante la mitosi portano a corredi
cromosomici sbilanciati e di conseguenza a cellule con una funzionalità gravemente
compromessa o non vitali.
Durante la citocinesi avviene la distribuzione alle cellule figlie anche degli organuli e
strutture citoplasmatiche, come mitocondri, ribosomi e nelle cellule vegetali, cloroplasti.
L’aumento del numero di questi organuli avviene durante la fase di accrescimento G1. In
particolare, i mitocondri e i cloroplasti sono dotati di un loro filamento di DNA (DNA
mitocondriale e DNA cloroplastidiale) e durante la fase G1 questi organuli si dividono con
un meccanismo di scissione binaria del tutto simile a quello dei batteri.
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