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Dal DNA ai cromosomi

di Vittorio Sossi

l'impacchettamento del DNA nel nucleo della cellula

inserita il 20-01-2004
Gli istoni
il dna

Quella che abbiamo visto nelle pagine precedenti è la struttura del DNA. Gestire una molecola di dimensioni così mastodontiche è un problema al quale le cellule devono continuamente far fronte. Nonostante la sua stabilità elevata una macromolecola così lunga è intrinsecamente fragile.
Inoltre, anche se non è stato trattato in queste pagine, lo scopo del DNA è trasmettere l'informazione genetica nel corso di innumerevoli generazioni cellulari e qualsiasi errore o danno può rivestire conseguenze drammatiche per la cellula. Per cui sia nei più semplici genomi circolari dei batteri sia nei più complessi genomi lineari delle cellule superiori (eucariotiche = dotate di vero nucleo), il DNA è sempre assistito da proteine, che si occupano non solo di leggerne ordinatamente le informazioni e replicarlo per le cellule figlie, ma anche di proteggerlo e impacchettarlo in strutture di ordine superiore.

il nucleosomaun nucleosoma
il DNA è raffigurato come un cavo flessibile azzurro
gli istoni sono tutti ugualmente raffigurati come sfere
Nelle cellule eucariotiche questo compito è demandato in prima istanza ad un gruppo di proteine basiche denominate Istoni.

Esistono 5 tipi di Istoni denominati dalle sigle: H2A, H2B, H3 , H4 e H1.

I primi 4 si associano, ognuno in 2 copie a formare un complesso proteico denominato Ottamero Istonico. Attorno a questo complesso proteico si avvolge la doppia elica a costituire il primo livello di organizzazione di ordine superiore denominato Nucleosoma. Ogni nucleosoma avvolge attorno a sé una lunghezza di DNA pari a circa 200 basi.

l'istone H1il ruolo dell'istone H1
Come si vede dalla figura solo 4 tipi di istoni intervengono nella costituzione del nucleosoma. Il quinto tipo, l'istone H1 si occupa di organizzare fra loro i diversi nucleosomi mantenendo i contatti fra 2 nucleosomi adiacenti.
Senza H1 i nucleosomi non potrebbero ordinarsi nelle successive strutture di impacchettamento del DNA.

la fibra da 30 nanometrila fibra da 30 nanometri
i singoli nucleosomi sono rappresentati
come cilindretti marroni
Infatti è solo H1 che consente ai nucleosomi di avvolgersi a spirale a costituire una struttura denominata fibra da 30 nm (=nanometro) dal suo spessore. Cosideriamo che il nanometro è la miliardersima parte di 1 metro e che la doppia elica "nuda" ha uno spessore di soli 20 angstrom che equivalgono ai 2 nanometri.

Questa organizzazione è presente per la maggior parte della lunghezza del DNA in un cromosoma. Però l'impacchettamento del DNA così spiegato non è sufficiente. Considerando due problemi:

  • i cromosomi hanno impacchettamenti di ordine superiore a quelli finora mostrati e molto più complessi, fino ad arrivare al massimo ispessimento durante la metafase mitotica durante la quale sono così spessi che diventano visibili ad una lettura al microscopio ottico.
  • Il DNA è una macromolecola che DEVE espletare la sua funzione di informazione genetica. per espletare la sua funzione deve in qualche modo essere liberato dall'ingombro proteico che lo accompagna.

La risposta ad entrambe le domande è che l'impacchettamento del DNA è un processo altamente dinamico. In un singolo cromosoma, che ricordiamo è costituito da un sola lunga molecola di DNA in singola o duplice copia a seconda dello stadio del ciclo cellulare, ci saranno regioni svolte che sono in attiva biosintesi (il DNA viene letto, trascritto o replicato), liberate persino dell'ingombro dell'istone H1, ed altre in quel momento biosinteticamente inattive che sono strettamente impacchettate, con l'intervento di altre proteine oltre agli istoni.

le anse dei cromosomi le fibra da 30 nm
viene organizzata in anse
Ogni cromosoma è infatti organizzato in cosidette anse funzionali attorno ad un asse proteico. Ogni ansa a seconda dello stato di attività dei geni che contiene sarà più o meno strettamente impacchettata.






un cromosomaun cromosoma
possiamo distinguere il centromero
i bracci e i telomeri
Per finire 2 parole sui cromosomi umani.
Il DNA della nostra specie è suddiviso in 46 cromosmi di lunghezza variabile, uguali a 2 a 2 a costituire 22 coppie di omologhi una ereditata dal padre e una dalla madre e una coppia di cromosomi sessuali uguali nelle femmine XX e diversi nei maschi XY.
In ogni cromosoma possiamo distinguere 2 bracci nel caso che la singola molecola di DNA si sia replicata prima della divisione cellulare, tenuti assieme da un perno centrale proteico definito centromero.
Le estremità dei nucleosomi sono denominate Telomeri. Ad ogni replicazione del DNA un pezzettino dei Telomeri viene perso e la loro lunghezza originaria è ripristinata da un enzima denominato Telomerasi che si occupa di aggiungere nucleotidi alla fine della molecola di DNA. Questo processo sembra fondamentale in maniera opposta sia per l'invecchiamento cellulare sia per l'insorgenza del cancro.

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Scienzità è stato realizzato da Silvia Sorvillo e Vittorio Sossi