Cellula- Nucleo e Duplicazione cellulare, Dispense di Biologia Animale

Scarica Cellula- Nucleo e Duplicazione cellulare e più Dispense in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! Il nucleo Il nucleo è una struttura presente unicamente nelle cellule eucariote, il primo a coniare il nome “nucleolo” fu Leeuwenhoek e successivamente Brown lo denominò “nucleo”. La sua origine non è certa, è probabile abbia un’origine endosimbiotica di una cellula procariote oppure potrebbe essersi generato dalla formazione di invaginazioni. La presenza del nucleo determina una grande differenza tra le cellule eucariote e procariote, soprattutto per quanto riguarda i processi che avvengono a carico del DNA; nei procarioti i processi di trascrizione e traduzione avviene contemporaneamente, mentre, negli eucarioti i processi di trascrizione e traduzione avvengano in luoghi e tempi separati e ciò fa aumentare il controllo nei due meccanismi. Struttura Il nucleo è formato da un doppio strato di membrana, lo spazio o lume tra queste due membrane è in stretto contatto con il lume del reticolo endoplasmatico. Sulla membrana del nucleo ci sono delle aperture, i pori nucleari, che sono responsabili di tutti i traffici nucleari; per cui non avviene traffico vescicolare a livello del nucleo. Al di sotto della membrana nucleare è presente il DNA, questo è sempre associato a proteine che possono essere istoniche e non istoniche. I cromosomi, che si trovano all’interno del nucleo, non sono distinguibili in quanto appaiono come grovigli organizzati. I cromosomi all’interno del nucleo occupano un proprio territorio cromosomi, questi territori cromosomici sono intervallati da spazi, che vengono chiamati domini intercromosomico. Nel momento in cui avviene la trascrizione dei geni, la porzione di cromosoma interessato dalla trascrizione si sposti in questo dominio, avviene la trascrizione e successivamente torna al suo posto. I cromosomi non sono liberi ma sono ancorati alla faccia intera nella membrana nucleare. All’interno del nucleo troviamo delle strutture organizzate di DNA, non sono delimitate da membrana:  nucleolo: ha una forma circolare, è possibile avere all’interno di un nucleo anche più di un nucleolo. All’interno di questo avviene la sintesi del RNA ribosomiali, l’assemblaggio delle subunità dei ribosomi. In altre parole, nel nucleolo avviene la sintesi dell’RNA ribosomiale, questo esce al di fuori del nucleo dove viene tradotta la proteina ribosomiale che successivamente rientra nel nucleo, giunge nuovamente nel nucleolo dove, grazie alla presenza del RNA ribosomiale, vengono assemblati a formare le subunità dei ribosomi. Le subunità fuoriescono nuovamente dal nucleo attraverso il complesso del poro. Inoltre avviene anche la trascrizione e la maturazione dell’RNA transfert.  speckle: ci sono i fattori di splicing dell’RNA;  corpi di Cajal: all’interno dei quali avvengono le modificazioni post-trascrizionali degli smRNA, avviene la formazione delle particelle ribonucleoproteiche;  corpi Gemini: hanno funzioni simili ai corpi di Cajal;  corpi PML: avviene la regolazione trascrizionale e la riparazione del DNA. All’interno del nucleo sono presenti elementi del citoscheletro, quali i filamenti intermedi che vanno a costituire la lamina nucleare. Oltre alle lamine, che formano la lamina nucleare, ci sono altre proteine associate alla lamina, le LAP, che permettono l’interazione la lamina nucleare alla membrana nucleare. La lamina nucleare funge da sostegno per la membrana nucleare, la lamina si interrompe lì dove si ha la presenza dei pori. Il poro nucleare è una struttura complessa, questi complessi sono costituiti da componenti modulari che si ripetono. Il complesso del poro ha una simmetria ottagonale, ovvero ad otto componenti, per cui le due facce non appaiono uguali. Nella faccia rivolta verso il nucleo sono presenti proteine che si uniscono a formare un canestro, mentre, nella zona citoplasmatica queste proteine si prolungano nel citoplasma a formare delle fibrille. Questa struttura svolge anche un controllo del materiale che entra ed esce, il materiale può passare solo se viene approvato dal complesso del poro. Le proteine che fanno a costituire il poro nucleare sono chiamate nucleoporine, sono caratterizzate dalla ripetizione di sequenze di glicina, fenina; ripetizioni che prendono il nome di ripetizioni FG. Queste proteine, inoltre, sono di diverso tipo e carica, per cui il passaggio attraverso il poro nucleare avviene attraverso l’interazione con i residui che sporgono dal poro. Tutto il trasporto avviene attraverso il controllo dei pori nucleari, tuttavia può avvenire anche per diffusione passiva per quanto riguarda le molecole di piccole dimensioni (al di sotto di 9nm). Importazione dal nucleo Le proteine che sono destinate al nucleo hanno delle sequenze segnale intersperse, sono sintetizzate a livello dei ribosomi liberi nel citosol. Ci sono sequenze segnale che presentano arginina e sirginina distanziate; vengono riconosciute come sequenze di localizzazione nucleare perché tra queste ripetizioni c’è uno spazio ben definito di amminoacidi. Se ci sono queste determinate sequenze allora la proteina potrà entrare all’interno del nucleo. Per riconoscere tali sequenze segnale esistono dei recettori che riconoscono queste sequenze, permettendo così l’entrata nel nucleo. Sono stati condotti degli esperimenti per capire che il trasporto all’interno del nucleo necessita, oltre alla sequenza segnale della proteina, di altri elementi (recettore e trasportatore). Gli scienziati hanno utilizzato la digitonina, molecola che buca la membrana; hanno trattato la cellula con la digitonina ed hanno fatto uscire tutti gli elementi del citoplasma senza modificare l’involucro nucleare. Successivamente è stato ricostruito il citoplasma inserendo delle proteine che avevano queste sequenze di localizzazione nucleare. I ricercatori si aspettavano che, ricostruito il citosol con un liquido fisiologico in cui erano presenti le proteine, queste proteine potessero entrare nel nucleo; tuttavia queste proteine rimanevano nel citoplasma. Quindi la presenza della sequenza segnale è una condizione necessaria ma non sufficiente Le differenze tra RNA e DNA riguardano: -lo zucchero presente, nel DNA è il desossiribosio mentre nell’RNA è il ribosio; -le basi sono diverse, in quanto nel RNA la Timida viene sostituita dall’Uracile.; -il DNA è formato da due eliche complementari, ovvero le due singole eliche si uniscono attraverso legami ad idrogeno, e sono antiparallele; mentre l’RNA è formato da una singola elica.  proteine: queste sono associate al DNA e sono determinanti per il compattamento del DNA, ovvero aiutano il DNA a formare una struttura che riesce ad essere contenuta nel nucleo. Le proteine in questione possono essere istoniche e non istoniche. Le proteine più importanti, in quanto determinano la struttura dell’DNA, sono quelle istoniche che andranno a costituire la cromatina (DNA+ proteine istoniche). E’ possibile distinguere due tipi di cromatina:  eucromatina: è meno compatta, questa è associata alla trascrizione (trascrizionalmente attiva)  eterocromatina: è più compatta ed è quella trascrizionalmente inattiva, non avviene la trascrizione a livello dell’eterocromatina. Distinguiamo due tipi di eterocromatina: costituiva, che rimane sempre compatta e non avviene mai la trascrizione in quanto non ci sono sequenze codificanti ma ci sono sequenze ripetute; e facoltativa, non è sempre compatta ma può essere modificata in eucromatina in particolari condizioni delle cellula. Questi due tipi di cromatina differiscono per il colore che assumono, questa diversa colorazione corrisponde ad una diversa struttura e diversa forma. Questo stato di condensazione dell’eurocromatina ed eterocromatina è reso possibile dalle proteine istoniche, queste associate al DNA, formano i nucleosomi, questo è formato da otto proteine istoniche attorno a cui si avvolge il DNA, il quale compie due giri. La funzione del nucleosoma è quella di avvicinare zone di DNA che sono distanti, una volta che sono avvicinati possono diventare un sito di riconoscimento per una proteina. Fondamentale per questo processo è la proteina istonica istone H1 Come fa il DNA si avvolge a queste proteine istoniche Le proteine istoniche sono fatte da amminoacidi, che possiedono cariche positive e cariche negative; l’associazione tra DNA e proteine istoniche è reso possibile da questa differenza di cariche. E’ possibile passare da una situazione di eterocromatina ad una situazione di eucromatina, attraverso delle modificazioni delle code delle proteine istoniche. In altre parole, affinché ci sia un’attivazione o inattivazione della cromatina sono necessarie delle modificazioni ben precise; queste modificazioni prendono il nome di: metilazione, acetilazione, fosforilazione. Grazie a queste modificazioni passiamo da una cromatina inattiva ad una cromatina attiva e viceversa. L’acetilazione della lisina o dell’arginina allenta la struttura della cromatina poichè rimuove la carica positiva dell’amminoacido, ciò impedisce l’unione con le cariche negative del DNA. Invece la metilazione è il meccanismo opposto. Gli enzimi de-melitasi e de-acelitasi che eliminano tali modificazioni, per cui la cromatina ritorna ad essere compatta e dunque ritorna ad essere inattiva. Interazioni tra DNA e proteine istoniche Le interazioni tra le proteine istoniche e il DNA avvengono mediante interazione di carica; il DNA ha carica negativa mentre le code istoniche hanno diversi residui con carica positiva. Ci sono dei fenomeni di modificazione della cromatina, in modo da attivarla o inattivarla, questi sono i meccanismi che avvengono durante il passaggio dall’eterocromatina facoltativa all’eucromatina o viceversa. Avvengono modificazioni a carico delle code delle proteine istoniche, qualsiasi tipo di modificazione avvenga l’interazione con il DNA cambierà a seconda del cambiamento delle cariche. Dunque, alcune modificazioni, come l’acetilazione attivano il DNA, mentre la metilazione inattivano il DNA. Ci sono enzimi, quale l’ deacilasi, che inattivano un gene, il DNA viene modificato, le code istoniche vengono modificate in modo da inattivare il DNA. Questi sono fenomeni che vengono chiamati di epigenetica. Proteine non istoniche Oltre le proteine istoniche, ci sono le proteine non istoniche che aiutano il DNA ad avvolgersi. Queste proteine sono:  condensine: sono coinvolte nel controllo della struttura generale e sono responsabili della condensazione dei cromatidi fratello;  coesine: sono coinvolte nelle connessioni tra i cromatidi fratelli. Una volta che il DNA è stato replicato, nella fase M, i cromatidi iniziano a condensarsi; ciò è reso possibile dalla condensina che forma degli anelli intorno ai cromatidi fratelli e dalla coesina che avvina tra di loro le anze lontane del DNA. Il DNA sembra che utilizzi uno scaffold, ovvero, il DNA avvicina le sue diverse parti attraverso una struttura di base inesistente. . Diversi stati di condensazione del DNA Oltre alla collana di perle, in cui sono presenti unicamente i nucleosomi di 10nm; alla fibra di 30 nm dovuta all’intervento dell’ istone H-1 che tende ad avvinare i nucleosomi e man mano aumenta la condensazione. C’è poi la fibra a 300nm fino ad arrivare alla fibra di 1400nm, questo è un cromosoma replicato durante la metafase, dove si ha il più alto livello di compattamento di cromatina. Inoltre, essendo due,, ogni cromatide misura 700 nm. 1.DNA a doppia elica 2. Il DNA si avvolge intorno a delle strutture, i nucleosomi, formando una struttura detta “collana di perle” 3. Con l’intervento della proteina istonica H-1 queste strutture si avvicinano, formando una fibra cromatinica da 30nm 4. La fibra cromatinica si associa fino a raggiungere lo spessore di 700nm Duplicazione del DNA La replicazione, o duplicazione, del DNA è un meccanismo molecole attraverso la quale viene fatta una copia del DNA cellulare. In seguito ad un segnale proveniente dall’esterno che induce la cellula a dividersi e ciò richiede la replicazione del corredo cromosomico della cellula. DNA che viene trasmesso alle cellule figlie attraverso il processo di mitosi o di meiosi. La molecola del DNA è una struttura a doppia elica, queste due eliche sono complementari ed antiparallele; ciò vuol dire che un filamento che andrà in direzione 5’-3’ e l’altro 3’-5. Tale caratteristica è fondamentale nelle replicazione perché permette che le due eliche fungano da stampo. La duplicazione è una complicata reazione multifattoriale che permette di assicurare costanza e fedeltà dell’informazione genetica; quindi l’informazione genetica rimane sempre la stessa nell’individuo. Come gli scienziati hanno capito che la duplicazione del DNA è semiconservativa: Gli scienziati nel 58 chiarirono il meccanismo di duplicazione facendo delle ipotesi. Sicuri del fatto che la doppia elica si aprisse e che ogni elica fungesse da stampo, era necessario capire il tipo di conservazione: -conservativa: ogni elica funge da stampo, ma alla fine della prima replicazione le due eliche vecchie si riassociano tra di loro e le due eliche nuove di associano; -semiconservativa: alla fine della prima replicazione ogni doppia elica nuova avrà al suo interno un’elica vecchia ed una nuova; -dispersiva: alla fine della prima replicazione, le due nuove doppie eliche formatosi possedevano pezzi delle nuove eliche e pezzi delle vecchie eliche. Per capire il tipo di duplicazione utilizzarono la presenza nel DNA dell’azoto, questo poteva essere dovuta ai superavvolgimenti esistono degli enzimi, topoesomerasi; esistono due tipi di topoesomerasi:  topoesomerasi I: fa avvenire la rotazione riducendo il superavvolgimento;  topoesomerasi II: taglia i due filamenti. 2. Inizio La DNA polimerasi necessita di un -OH già disponibile, per cui interviene l’enzima della primasi. Questo innesco, chiamato primer, è catalizzato dalla primasi (RNA polimerasi). La duplicazione del DNA avviene in direzione 5’-3’, l’elica nuova che si viene a formare avrà il 5’ libero e si formeranno legami fosfodiesteri a partire da gruppo -OH presente al 3’ del nucleotide che precede che interagirà col fosfato 5’ del nucleotide che segue. Poiché le due eliche aperte hanno una direzione diversa crea una differenza di direzione di polimerizzazione dei due filamenti che si vanno a formare. Considerando che ogni elica funge da stampo, queste due eliche si aprono, una è in direzione 5’-3’ e l’altra in 3’-5’ . Per quanto riguarda l’elica con andamento 5’-3’, l’appaiamento andrà in avanti seguendo 3’-5’; mentre l’elica che ha un andamento 3’-5’, l’appaiamento avverrà in direzione opposta in 5’-3. Grazie alla complementarietà delle basi si vengono a formare due doppie eliche di DNA identiche alla precedente. Inizialmente la doppia elica si deve aprire, per cui ogni elica esporrà le sue basi azotate. In laboratorio, per aprire le due eliche, è necessario innalzare la temperatura in modo da rompere i legami ad idrogeno; mentre nella cellula ci sono degli enzimi che ne determinano la rottura. 3.Allungamento La polimerizzazione va avanti finché non si arriva all’altra forcella replicativa oppure si arriva all’estremità del cromosoma. La polimerizzazione va avanti solo se viene inserito il nucleotide giusto, infatti, durante la replicazione la DNA polimerasi svolge anche una funzione di controllo della giusta apposizione dei nucleotidi; se il nucleotide è giusto la polimerizzazione va avanti mentre se il nucleotide è sbagliato la duplicazione si ferma e il nucleotide in questione viene tolto e viene sostituito. Per quanto riguarda la primasi, è un RNA, che aggiunge il primo frammento di acido nucleico; questo pezzo è un RNA quindi si formeranno una doppia elica che in alcune zone è un ibrida perché formato da DNA e pezzetti di RNA. Questi pezzi verranno successivamente eliminati. Poiché la sintesi del DNA avviene contemporaneamente sui due filamenti, ma in realtà il morsetto scorrevole carica entrambe le DNA polimerasi insieme, queste due DNA polimerasi che sono diverse sono legate insieme per cui non possono andare in direzioni opposte. Poiché le due eliche di DNA hanno direzioni opposte questo, subisce una modificazione, assume una struttura a trombone in modo che le due DNA polimerasi (la delta e la epsilon) si muovano nella stessa direzione anche se stanno sintetizzando nelle direzioni opposte. 4.Terminazione Da una parte è presente il filamento veloce, ed è una catena molto lunga, e dall’altra un filamento lento, che sarà stato sintetizzato con i frammenti di Okazaki. Successivamente intervengono una serie di enzimi, endonucleasi, che riconoscono il primer e lo degradano; sarà poi la DNA polimerasi ad inserire i nuovi nucleotidi. Una volta eliminati i nucleotidi ci sarà l’-OH libero per cui la DNA polimerasi polimerizzerà i pezzi mancanti; l’ultimo legame fosfodiestere viene fatto dalla ligasi. Telomerasi La DNA polimerasi si staccherà dal filamento quando incontra un’altra forcella replicativa oppure quando arriva alla fine dei cromosomi. Tuttavia, quando la DNA polimerasi arriva alla fine dei cromosomi, o telomeri, si verifica il cosiddetto problema dei telomeri; poiché avviene la duplicazione in maniera diversa, uno dei due filamenti si accorcerà. Tutti i cromosomi, alla fine delle duplicazioni, si accorciano di un pezzetto. I telomeri, che sono l’estremità dei cromosomi, che sono composti da sequenze ripetute, hanno la funzione di proteggere la zona codificante che è più interna. Ogni cellula dello stesso tessuto hanno i telomeri uguali per cui hanno un certo numero di duplicazioni che possono eseguire. Dopo un certo numero di duplicazioni la cellula non si replica più e sarà destinata a morire Perché avviene l’accorciamento dei telomeri Poiché l’ultimo RNA primer non potrà essere sostituito per cui viene soltanto eliminato. Ci sono delle cellule in cui ciò non avviene e non può avvenire, quali: le staminali, della linea germinale; grazie alla presenza dell’enzima della telomerasi, il quale ricostituisce il telomero accorciato. Questa telomerasi è presente nelle primissime duplicazioni dello zigote, successivamente diventerà eterocromatina. La telomerasi è un riboenzima, all’interno della sua struttura presenta l’RNA che ha una sequenza simile a quella del telomero. La telomerasi si associa all’-OH libero ed inizia ad allungare il filamento in modo che si possa formare un altro frammento di Okazaki. Formatosi un frammento di Okazaki, eliminato il primer, ho ricostituito la giusta lunghezza del cromosoma. Riparazioni del DNA Il meccanismo della replicazione è molto preciso, tuttavia non è perfetto per cui si possono commettere errori. Motivo per cui esistono meccanismi di correzione, che possono essere: Meccanismi di correzione pre-duplicazione Lo scopo finale della replicazione è quello di copiare una molecola identica della molecola madre, per formare due cellule nuove che hanno lo stesso corredo genetico. Prima della duplicazione del DNA c’è un controllo a carico del DNA, perché la cellula si deve accertare che non ci siano errori. Tali errori possono essere causati da alcuni danni, come:  agenti genotossici che derivano dal metabolismo cellulare o che sono presenti nell’ambiente;  Il taglio spontanei dei legami chimici, è dovuto ad un danno oppure a delle modificazioni chimiche delle basi azotate. Normalmente accade nella cellula che alcuni siti possono depurinizarsi, ovvero perdere la base purinica, per cui si vengono a formare dei buchi. Oppure può avvenire una deaminazione di una citosina, la quale perde un gruppo amminico, diventando così un uracile. Quando è presente un sito depurinato, la macchina di riparazione lo correggerà in base alla complementarietà delle basi.  agenti ambientali, come per esempio le radiazioni ultraviolette oppure i raggi ionizzanti. Nel caso delle radiazioni ultraviolette possono determinare un danno nelle timide adiacenti provocheranno la formazione di un dimero di timina. Questo dimero di timina verrà eliminato ed in base alla complementarità delle basi verranno corrette. Mutazioni Oltre questo macchinario di riparazione pre-replicativo, ci sono dei meccanismi di riparazione che intervengono contemporaneamente a questa ed anche post-replicativi. Gli errori commessi durante la replicazione possono essere dovuti alla DNA polimerasi, questi errori sono chiamate mutazioni e sono alla base della diversità genetica. Le mutazioni sono variazioni permanenti della sequenza di DNA causate da errori nei processi replicativi e riparativi, oppure, dovuti a danni al DNA. Se la mutazione è collocata in un sito importante del DNA causerà malattie all’individuo. Meccanismi di correzione durante la duplicazione La DNA polimerasi, oltre alla sua attività in direzione 5’-3’, ha un’attività esonucleasica in direzione opposta. Mentre sta polimerizzando, verifica che non si siano verificati errori; quando si accorge di un errore di appaiamento ritorna indietro togliendo tutti i nucleotidi messi fino a quel momento fino ad arrivare al punto in cui si è verificato l’errore. Una volta che ha tolto l’errore ricomincia la polimerizzazione. La sua attività esonucleasica, in direzione 3’-5’, abbassa la probabilità di aggiungere un nucleotide sbagliato di un fattore mille; ovvero alla fine della duplicazione la possibilità di aver commesso un errore durante la polimerizzazione è uno su un miliardo di basi.