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LA CELLULA
Cellula La più piccola unità di un organismo in grado di funzionare in modo autonomo. Tutti i viventi sono costituiti da una o più cellule: in base a questa caratteristica, possono essere suddivisi, rispettivamente, in organismi unicellulari e pluricellulari. Al primo gruppo appartengono archeobatteri, eubatteri, alghe azzurre, protozoi, alghe e funghi unicellulari; il secondo comprende le piante, gli animali e i funghi.Negli organismi pluricellulari le cellule si coordinano e formano livelli di organizzazione superiori: i tessuti, caratterizzati da cellule specializzate a svolgere determinate funzioni; gli organi, composti da più tessuti, che effettuano anch'essi specifiche funzioni; gli apparati (o sistemi), nei quali diversi organi interagiscono per il compimento di funzioni superiori; infine, l'organismo. Ogni elemento di un livello è dotato di capacità che l'elemento al livello inferiore non possiede. Così una singola cellula nervosa è capace di trasmettere impulsi nervosi a un'altra cellula, ma non è in grado di elaborare pensieri. Strutture come i virus e i prioni non vengono considerati viventi perché mancano di una organizzazione cellulare.I biologi studiano le cellule per comprendere le modalità con cui esse si formano a partire dalle molecole, e per chiarire i meccanismi con i quali poi, una volta formate, esse cooperano alla costruzione di organismi complessi come gli esseri umani. La conoscenza delle cellule è alla base, dunque, della comprensione dei processi fisiologici, delle modalità di sviluppo e dei fenomeni di invecchiamento dell'organismo; in tal modo, essa diventa di importanza fondamentale per chiarire come si instaurano i processi patologici.
Teoria cellulare
Le cellule furono osservate per la prima volta nel 1665 da Robert Hooke, che studiò con un microscopio rudimentale sottili fettine di sughero e vide che esse erano formate da elementi di forma regolare. Egli chiamò cellule questi elementi (dal latino cellula, 'piccola stanza'), perché esse avevano l'aspetto di piccole scatole. Ciò che egli vide erano in realtà pareti di cellule vegetali morte. Nel 1673 Antoni van Leeuwenhoek effettuò invece osservazioni su globuli rossi, su piccoli organismi presi da acque stagnanti e su spermatozoi (che egli considerava piccoli animali, 'animalunculi'). Nel 1830 Theodor Schwann compì studi al microscopio sulla cartilagine di animali e vide che questa era formata da cellule simili a quelle delle piante, e ipotizzò che le cellule sono gli elementi costitutivi fondamentali di piante e animali; analoghe conclusioni trasse verso la metà dell'Ottocento Matthias Schleiden. Nel 1860 Rudolf Virchow affermò che le cellule devono essere le 'unità vitali' di tutti gli organismi, e che ogni cellula deriva da un'altra cellula.L'insieme degli studi al microscopio e le osservazioni di numerosi ricercatori permisero di arrivare alla moderna definizione della cosiddetta teoria cellulare, secondo la quale: 1) tutti i viventi sono formati da una o più cellule; 2) le cellule costituiscono le unità fondamentali di ciascun organismo; 3) tutte le cellule derivano da altre cellule.
Aspetti generali delle cellule
Le cellule possono avere dimensioni e forme molto diverse. Le cellule batteriche sono le più piccole, avendo una lunghezza dell'ordine di 1 µm (un milionesimo di metro). Le cellule dei tessuti animali hanno forma estremamente varia, a seconda del tipo e della funzione (possono essere sferiche, dai contorni irregolari, stellate, poliedriche, cubiche, cilindriche ecc.). Il diametro è compreso fra i 10 e i 20 µm e la superficie è spesso ricca di intro- ed estroflessioni. Le cellule nervose (o fibre nervose), che hanno grossolanamente forma stellata, sono dotate di sottili prolungamenti che possono raggiungere anche diversi metri di lunghezza (come avviene, ad esempio, nelle fibre nervose che innervano il collo delle giraffe).Le cellule vegetali hanno solitamente forma poliedrica, con una lunghezza compresa tra i 20 e i 30 µm; la regolarità della loro forma è dovuta al fatto che esse possiedono, al contrario delle cellule animali, pareti cellulari rigide.In tutti i viventi, le cellule condividono alcune caratteristiche fondamentali. Tutte le cellule sono delimitate da una membrana (detta membrana plasmatica o plasmalemma) che racchiude il citoplasma. Questo è formato da una componente semifluida, il citosol, contenente acqua, sali minerali e molecole organiche, in cui si trovano immerse strutture dette organuli o organelli (nelle cellule eucariote, vedi avanti), ciascuno preposto a una particolare funzione.Le cellule sono la sede di reazioni chimiche che permettono loro di crescere, di produrre energia e di eliminare le scorie. Nel loro insieme, tutte queste reazioni sono denominate metabolismo (termine derivante da una parola greca che significa 'cambiamento'). Le reazioni nella cellula avvengono in presenza di speciali catalizzatori, detti enzimi, costituiti da molecole proteiche.Le informazioni necessarie allo svolgimento di tutte le attività metaboliche delle cellule e, in sostanza, le informazioni che rendono possibile la vita, sono contenute negli acidi nucleici, presenti all'interno delle cellule stesse: l'acido desossiribonucleico (DNA) fa da stampo per la produzione di acido ribonucleico (RNA) il quale, interagendo con strutture proteiche dette ribosomi, determina la sintesi di molecole proteiche. In tal modo avviene la formazione degli enzimi che, a loro volta, permettono lo svolgimento di tutte le attività cellulari.Le cellule sono capaci di riprodursi: ciascuna di esse si divide in due cellule figlie mediante un processo che prende il nome di mitosi. La capacità di dividersi delle cellule è differente in base al tipo cui esse appartengono. Si possono riconoscere tre categorie: cellule soggette al rinnovamento, che per tutta la vita dell'individuo vengono continuamente sostituite da cellule nuove (come avviene nella cute); cellule in espansione, che smettono di dividersi quando l'individuo ha completato la sua crescita, ma che possono occasionalmente riprendere a dividersi come conseguenza di ferite o traumi (come avviene nel fegato, nella tiroide, nel tessuto muscolare liscio); cellule statiche, che perdono la capacità di dividersi prima ancora che l'accrescimento dell'organismo sia completo (ad esempio, le cellule nervose).La chimica cellulare si basa prevalentemente sui composti del carbonio (detti composti organici) e quasi esclusivamente su reazioni chimiche che hanno luogo in soluzione acquosa, nello stretto intervallo di temperature normalmente riscontrabili sulla Terra.I principali tipi di molecole organiche che compongono la cellula sono le proteine (formate dall'unione di molte subunità, dette amminoacidi), i carboidrati (sia zuccheri semplici, sia polisaccaridi, cioé lunghe catene di molecole di zuccheri), i grassi (tra i quali sono molto importanti i fosfolipidi, costituenti fondamentali della membrana plasmatica) e gli acidi nucleici (composti dall'unione di molti nucleotidi).
Procarioti ed eucarioti
Le cellule, in base alla loro organizzazione interna, possono essere distinte in due grandi categorie: cellule procariote e cellule eucariote.Le cellule procariote sono tipiche degli organismi appartenenti al regno delle monere (archeobatteri, eubatteri e alghe azzurre). Esse sono relativamente piccole (con un diametro generalmente compreso fra 1 e 5 µm) e hanno una struttura interna alquanto semplice; il loro DNA si trova concentrato in una regione del citoplasma, senza essere delimitato da alcuna membrana. Esse sono prive di organuli, a eccezione dei ribosomi. Le funzioni cellulari sono comunque effettuate da complessi enzimatici analoghi a quelli delle cellule eucariote. Gli organismi formati da cellule procariote sono detti procarioti.Le cellule eucariote costituiscono tutti gli altri organismi viventi (i protozoi, le piante, i funghi e gli animali) sono molto più grandi (solitamente il loro asse maggiore è compreso fra i 10 e i 50 µm); in esse il DNA è racchiuso da una membrana, formando così un particolare organulo chiamato nucleo. Queste cellule possiedono organuli immersi nel citoplasma, ognuno deputato a svolgere una particolare funzione. Gli organismi formati da cellule eucariote sono detti eucarioti.Il termine procariote deriva dal greco e significa 'prima del nucleo'; il termine eucariote significa 'vero nucleo'.
Membrana plasmatica
La membrana plasmatica racchiude il contenuto della cellula e costituisce una barriera fra l'ambiente intracellulare (ambiente interno) e quello extracellulare (ambiente esterno). È costituita da un doppio strato continuo di molecole di fosfolipidi, dello spessore di 8-10 nm (un nanometro corrisponde a un miliardesimo di metro), attraversata parzialmente o completamente da numerose proteine. I fosfolipidi sono particolari grassi, formati da una 'testa' di glicerolo legato a un gruppo fosfato, e da due 'code' di acidi grassi.La funzione di barriera svolta dalla membrana permette la regolazione della composizione chimica della cellula. La maggior parte degli ioni e delle molecole idrosolubili non è in grado di attraversare spontaneamente tale barriera, che è di natura lipidica; per farlo, necessita di una specifica proteina trasportatrice (detta carrier) o di una struttura, detta canale, formata da una grossa proteina infissa nello spessore della membrana e dotata di una cavità centrale. Avvalendosi di questi meccanismi di trasporto, la cellula può mantenere la concentrazione interna degli ioni e delle piccole molecole su valori diversi da quelli che caratterizzano l'ambiente esterno.Un altro sistema mediato dalla membrana plasmatica per operare scambi fra l'ambiente intracellulare e quello extracellulare è quello della eso- ed endocitosi: nel primo caso, la membrana si estroflette e forma piccole vescicole contenenti le sostanze da trasportare, che si distaccano dalla cellula e raggiungono l'ambiente esterno; nel secondo caso, vescicole provenienti da altre cellule si fondono con la membrana della cellula interessata, e liberano nel citoplasma di questa le sostanze che contenevano. Questo meccanismo permette, in particolare nelle cellule animali, di trasportare attraverso la membrana plasmatica macromolecole, particelle di grandi dimensioni e perfino cellule intere.La membrana plasmatica può presentare estroflessioni a forma di dita, che prendono il nome di microvilli e hanno la funzione di aumentare la superficie di scambio tra la cellula e l'ambiente esterno. Esse sono tipiche, ad esempio, nelle cellule che rivestono la superficie dell'intestino, nelle quali il gran numero di microvilli (che formano il cosiddetto orletto a spazzola) garantisce una grande capacità di assorbimento delle sostanze nutritive.La membrana rappresenta anche, oltre che un filtro per le sostanze in entrata e in uscita, il mezzo con cui la cellula si 'fa riconoscere' dalle altre cellule. Essa contiene molecole particolari, di solito formate da zuccheri legati a proteine, che corrispondono a una sorta di 'carta d'identità' in base alla quale la cellula viene riconosciuta come facente parte del sé, ossia dell'organismo stesso, e non viene attaccata dal sistema immunitario, oppure come estranea (non sé) e come tale, da distruggere. L'insieme delle molecole che caratterizzano i diversi tipi di cellule e di tessuti dell'organismo viene chiamato complesso maggiore di istocompatibilità (MCH); esso è responsabile del fatto che i tessuti trapiantati agiscono da antigeni e vengono attaccati dall'organismo ricevente (fenomeno del rigetto). Pertanto, si sottopone il paziente a terapia immunodepressiva prima di un trapianto.Nelle cellule animali, la membrana plasmatica non presenta generalmente strati esterni di rivestimento. Nei batteri e nei vegetali, invece, all'esterno della membrana si trova una parete rigida, alquanto spessa e robusta, costituita da polisaccaridi complessi (nel caso delle piante superiori, soprattutto da cellulosa). Tale struttura nei batteri ha soprattutto una funzione protettiva; nei vegetali, oltre a questa funzione, la parete svolge un ruolo di sostegno e serve a mantenere la forma tipica della cellula. La parete limita i movimenti della cellula, come pure l'ingresso e la fuoriuscita di materiali.
Giunzioni intercellulari
In un organismo pluricellulare le cellule si collegano l'una all'altra mediante giunzioni intercellulari. Nelle piante superiori le cellule sono connesse mediante 'ponti' di citoplasma (denominati plasmodesmi).Nella maggior parte degli animali, le cellule sono legate fra loro mediante una rete a maglie relativamente larghe, costituita da grosse molecole organiche (la cosiddetta matrice extracellulare) e mediante punti di adesione fra le membrane plasmatiche (giunzioni cellulari).
L'intero volume della cellula, con esclusione del nucleo, è occupato dal citoplasma. Questo comprende una soluzione acquosa concentrata, denominata citosol, nella quale si trovano sospesi gli organuli cellulari.Il citosol è un gel acquoso, contenente molecole di varie dimensioni. Costituisce il sito di molte funzioni importanti, come la demolizione delle molecole e la sintesi di numerose macromolecole che sono le unità costitutive della cellula. Molte molecole presenti nel citosol sono libere di muoversi per tutte le regioni della cellula; altre hanno una minore libertà di movimento, poiché fanno parte di strutture ordinate, gli organuli, che determinano nella cellula una compartimentazione utile allo svolgimento delle reazioni metaboliche.
Organuli della cellula eucariote
Nucleo
L'organulo di maggiori dimensioni all'interno della maggior parte delle cellule vegetali e animali è il nucleo: è delimitato da una membrana e ha forma e dimensioni variabili a seconda del tipo cellulare. All'interno del nucleo si trovano il DNA, che costituisce il materiale genetico della cellula, e proteine (dette istoni) solitamente presenti in coppie, in un numero variabile e caratteristico di ciascuna specie. I filamenti di acido desossiribonucleico costituiscono i cromosomi. Quando la cellula non è in fase di divisione, i filamenti cromosomali non sono distinguibili l'uno dall'altro; appena prima della divisione cellulare si ispessiscono e diventano visibili singolarmente. In ciascun cromosoma il DNA è presente sotto forma di una singola molecola, molto lunga e avvolta su se stessa a spirale, contenente sequenze di coppie di basi azotate che costituiscono i geni.Il nucleo è delimitato da una doppia membrana, dotata di pori che consentono le comunicazioni tra il nucleo e il resto della cellula (ossia il citoplasma). All'interno del nucleo si trova una regione specializzata, detta nucleolo, che è deputata all'assemblaggio di particolari organuli, i ribosomi. Questi, una volta sintetizzati, migrano nel citoplasma e costituiscono la sede della sintesi proteica. Il nucleo controlla questo processo inviando nel citoplasma diverse molecole con funzione di messaggeri. I geni contenuti nel DNA vengono, infatti, copiati fedelmente all'interno del nucleo in una molecola di acido ribonucleico, chiamata RNA messaggero (mRNA), che passa nel citoplasma e, interagendo con i ribosomi, dirige la formazione di molecole proteiche a partire da singoli amminoacidi.
Citoscheletro
Un sistema di filamenti proteici, denominato citoscheletro, è presente nel citosol di tutte le cellule animali e vegetali. Nelle cellule animali, che mancano di una parete cellulare rigida, questo sistema ha un'importanza particolare, in quanto contribuisce a mantenere la struttura e la forma della cellula. Il citoscheletro fornisce un'impalcatura per l'organizzazione interna della cellula e un punto di ancoraggio per organuli ed enzimi. Esso, inoltre, permette alla cellula di compiere alcuni movimenti. In molti tipi di cellule il citoscheletro è una struttura dinamica, che viene continuamente scomposta e riassemblata. È costituito da tre tipi principali di filamenti proteici: microtubuli, filamenti di actina e filamenti intermedi, connessi sia tra di loro che con altre strutture cellulari grazie a numerose proteine accessorie.
Ciglia e flagelli
Molte cellule possiedono sulla superficie strutture flessibili, simili a 'peli', denominate ciglia o flagelli, contenenti un fascio centrale di microtubuli che funziona da motore del movimento. Ciglia e flagelli si flettono dando luogo a un battito regolare, simile a quello di una frusta, reso possibile dall'energia conservata sotto forma di molecole di adenosina trifosfato (ATP) all'interno dei microtubuli.Nell'uomo, ad esempio, si trovano flagelli negli spermatozoi, dei cui movimenti sono responsabili; sono presenti ciglia nell'epitelio che riveste le vie respiratorie, allo scopo di rimuovere e fare defluire in una certa direzione particelle estranee e muco. Filamenti di actina, raccolti in grossi fasci, si trovano in tutte le cellule muscolari, delle quali, insieme a un'altra proteina, chiamata miosina, rendono possibile i movimenti di contrazione.Negli animali e nelle piante anche i movimenti associati alla divisione cellulare dipendono dai filamenti di actina e miosina e dai microtubuli; questi, infatti, guidano i cromosomi e gli altri componenti della cellula madre a spostarsi verso i due poli della cellula, in modo da ripartirsi poi nelle due cellule figlie.
Mitocondri
I mitocondri hanno una struttura particolare, osservabile al microscopio elettronico: ciascun mitocondrio si presenta come un corpuscolo dalla caratteristica forma a fagiolo, delimitato da due membrane separate, la più interna delle quali presenta numerose pieghe (dette creste). Una cellula può contenere da una decina fino a migliaia di questi organuli.I mitocondri costituiscono la sede del processo di respirazione cellulare, mediante il quale la cellula ricava energia (sotto forma di molecole di ATP) bruciando molecole di glucosio, derivanti dalla demolizione delle sostanze nutritive, in presenza di ossigeno.Le cellule che richiedono ossigeno per il processo di respirazione cellulare sono dette aerobie. Le cellule anaerobie si trovano in organismi (alcuni batteri) che vivono in assenza di ossigeno, nei quali i mitocondri mancano.
Ribosomi
I ribosomi sono organuli formati da due parti più piccole, cioè da due subunità, entrambe di forma tondeggiante. Ciascuna subunità è formata da molecole di RNA associate a proteine. È a livello di questi organuli che avviene la sintesi delle proteine. I ribosomi sono organuli presenti anche nei procarioti.
Reticolo endoplasmatico e apparato di Golgi
Una rete tridimensionale di sacche, dette cisterne, delimitate da membrane e tra loro comunicanti, costituisce il reticolo endoplasmatico, che rappresenta il compartimento cellulare dove avviene la sintesi (vedi Metabolismo) di gran parte dei componenti delle membrane, e dei materiali destinati a essere esportati all'esterno della cellula.
Pile di cisterne appiattite, anch'esse delimitate da membrane, costituiscono, invece, l'apparato di Golgi, che riceve le molecole sintetizzate nel reticolo endoplasmatico, le elabora e le indirizza a diversi siti interni o esterni alla cellula.
I lisosomi sono organuli piccoli, di forma irregolare, che contengono enzimi responsabili della digestione di numerose molecole inutili o nocive per la cellula.I perossisomi sono vescicole delimitate da membrana, che costituiscono un ambiente isolato e circoscritto per reazioni nel corso delle quali vengono generate e demolite forme particolarmente pericolose e reattive dei perossidi di idrogeno.I vacuoli sono piccole cavità delimitate da una membrana, nelle quali vengono accumulate scorie del metabolismo cellulare.Nella cellula vengono continuamente formate e distrutte piccole vescicole membranose, deputate al trasporto dei materiali da un organulo all'altro. In una tipica cellula animale, il complesso degli organuli delimitati da membrana può occupare fino a metà del volume totale della cellula. Fra il reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi, i lisosomi, la membrana plasmatica e l'ambiente extracellulare esiste uno scambio continuo di sostanze, mediato da vescicole che si staccano dalla membrana di un organulo per fondersi con quella di un altro.
Cellula vegetale
Le cellule vegetali possiedono alcune strutture tipiche: la parete, i plastidi e il vacuolo.
Parete cellulare
La parete costituisce uno strato rigido e robusto, posto all'esterno della membrana cellulare. È composta da sottili molecole di cellulosa che, unendosi tra loro, formano filamenti più spessi. Le molecole si dispongono parallelamente una all'altra, su piani sovrapposti, in ognuno dei quali esse assumono una particolare direzione. Un altro costituente della parete è la lignina, che le conferisce rigidità; inoltre, vi sono sostanze grasse, quali la cutina (nelle pareti delle cellule dell'epidermide fogliare), la suberina (nelle pareti delle cellule del sughero) e le cere, che riducono le perdite d'acqua per disidratazione.
Plastidi
I plastidi si possono considerare come sacche membranose, nelle quali la cellula può accumulare sostanze. I leucoplasti sono plastidi nei quali viene confinato l'amido di riserva, in attesa di utilizzazione; alcuni leucoplasti possono sintetizzare oli e proteine.I cromoplasti sono plastidi nei quali si accumulano pigmenti detti carotenoidi, di colore rosso o giallo.I cloroplasti sono plastidi particolari, di colore verde, delimitati da una membrana e contenenti, nel loro interno, pile (dette grana) di sacchetti membranosi appiattiti (detti tilacoidi), connesse fra loro da membrane, dette lamelle intergrana. Nelle membrane interne si trovano molecole di clorofilla. I cloroplasti rappresentano la sede del processo chiamato fotosintesi clorofilliana, che sfrutta l'energia dell'irradiazione solare per produrre ossigeno e molecole organiche a partire da anidride carbonica e acqua.
Vacuolo
Un grosso vacuolo centrale, ossia una cavità delimitata da una membrana e piena di un liquido detto succo vacuolare, costituisce per la cellula vegetale una sorta di idroscheletro. Esso, infatti, esercita una pressione contro la superficie della cellula che è racchiusa dalla parete rigida, e in tal modo produce un'azione di sostegno per la cellula stessa. Il vacuolo agisce anche da sede di raccolta di scorie del metabolismo.
Divisione cellulare
Il corpo degli organismi pluricellulari è composto da molti miliardi di cellule, unite fra loro a formare tessuti e organi deputati a svolgere funzioni specifiche. Tutte le cellule di un particolare organismo vegetale o animale derivano da un'unica cellula, l'uovo fecondato, che subisce numerose divisioni. Il processo con cui una cellula si divide in due cellule figlie è detto mitosi; nel corso di questo, essa duplica il proprio DNA in modo che ogni cromosoma sia presente in duplice copia; al principio della mitosi si forma una particolare struttura, che per la sua forma viene detta fuso mitotico, costituita da microtubuli. Il fuso dirige la migrazione dei due corredi cromosomici completi ai poli opposti della cellula madre. I due corredi cromosomici vengono, poi, suddivisi equamente fra le due cellule figlie.
La divisione cellulare nei procarioti è un processo relativamente semplice: in esso due cromosomi figli si attaccano in due punti diversi sulla parte interna della membrana celluiare.
Quando la membrana si allunga, i cromosomi si separano; la membrana si ripiega verso l'interno e si forma una nuova parete cellulare, completando così la divisione delle due cellule figlie.
Negli eucarioti la divisione cellulare è più complessa, in quanto gli eucarioti contengono una grande quantità di materiale genetico organizzato in un certo numero di cromosomi differenti.
Le cellule in divisione passano attraverso una determinata sequenza di crescita e di divísione cellulare conosciuta come ciclo cellulare.
Il ciclo è costituito da:
Le prime tre fasi del ciclo cellulare sono dette, nel loro insieme, interfase.
La regolazione del ciclo avviene durante l'ultima parte della fase G1, e coinvolge un certo numero di fattori interagenti.Quando la cellula è in interfase i cromosomi sono visibili solo come sottili filamenti di materiale filiforme (cromatina).
Quando inizia la mitosi diventano visibili al microscopio ottico i cromosomi che si sono condensati e duplicati precedentemente durante la fase S.
In questi primi stadi della mitosi i cromosomi sono formati da coppie di cromatidi identici tenuti uniti dal centromero.
Contemporaneamente, si forma il fuso: nelle cellule animali si forma tra i centrioli man mano che essi si separano.
Nelle cellule sia animali sia
vegetali la struttura del fuso è formata di fibre che si estendono dai poli
verso il piano equatoriale della cellula;
altre fibre sono attaccate ai cromatidi all'altezza dei cinetocori, strutture
proteiche associate ai centromerí.
La profase termina con la rottura della membrana nucleare e la scomparsa dei nucleoli.
Durante la metafase le coppie di cromatidi, manovrate dalle fibre del fuso, si portano verso il centro della cellula; al termine della metafase sono disposte sul piano equatoriale.
Durante l'anafase le coppie di cromatidi si separano e ogni cromatidio, ora un cromosoma indipendente, si muove verso uno deì due poli opposti.
Durante la telofase intorno a ogni gruppo di cromosomi si forma una membrana nucleare.
Il fuso comincia a scomparire, i cromosomi si despiralizzano e diventano di nuovo distesi e diffusi e i nucleoli ricompaiono.
Nelle cellule animali la citodieresi è prodotta da una strozzatura della membrana cellulare posta tra i due nuclei.
Nelle cellule vegetali il citoplasma è suddiviso grazie alla fusione di vescicole che formano la piastra cellulare, all'interno della quale è successivamente costituita la parete cellulare.
In entrambi i casi il risultato è la produzione di due nuove cellule separate.
In seguito alla mitosi ogni cellula riceve una copia esatta del cospicuo materiale genetico della cellula madre e, in seguito alla citodieresi, riceve approssimativamente la metà del citoplasma e degli organuli.
La riproduzione sessuata comporta una speciale divisione nucleare, la meiosi.
La meiosi è il processo mediante il quale si producono cellule che hanno un numero aploide di cromosomi (n),e mediante il quale i cromosomi si ridistribuiscono.
L'altro aspetto importante della riproduzione sessuata è la fecondazione, l'unione di cellule aploidi, che dà origine allo zigote e ripristina il numero diploide (2n).
Tra i principali gruppi di organismi vi sono caratteristiche differenze circa il momento del ciclo vitale in cui si verificano questi eventi.
All'inizio della meiosi i cromosomi si dispongono in coppie.
Gli elementi accoppiati sono detti omologhi.
Un omologo di ogni coppia è di origine materna e uno è di origine paterna.
Ogni omologo è costituito da due cromatidi identici tenuti uniti dal centromero.
Nei primi stadi della meiosi tra omologhi può verificarsi il crossing over, che consiste in uno scambio di materiale cromosomico.
Nel primo stadio della meiosi 1 gli omologhi si separano.
Si producono due nuclei, ognuno con un numero aploide di cromosomi, a loro volta formati da due cromatidi.
Il nucleo entra in interfase, ma il materiale cromosomico non si duplica.
Nel secondo stadio della meiosi II i cromosomi fratelli si separano, come avviene nella mitosi.
Quando i nuclei si dividono, si formano quattro cellule aploidi.
Tutte le cellule aploidi prodotte per meiosi contengono un assortimento particolare di cromosomi, dovuto tanto al crossing over quanto alla distribuzione casuale degli omologhi.
In tal modo la meiosi è una fonte di variabilità nella discendenza.
Differenziamento
Le cellule presenti nei diversi tessuti di un organismo pluricellulare spesso differiscono in modo impressionante sia per struttura sia per funzione. Ad esempio, le differenze esistenti fra una cellula nervosa, una cellula epatica e un globulo rosso di un mammifero sono così estreme che è difficile comprendere come esse possano contenere la stessa informazione genetica. Poiché tutte le cellule di un organismo animale o vegetale sono prodotte per divisioni successive a partire dallo stesso uovo fecondato, tutte, a parte alcune eccezioni, devono necessariamente contenere la stessa informazione genetica.
Le cellule si differenziano le une dalle altre perché sintetizzano e accumulano molecole di RNA e proteine diverse, senza per questo alterare la sequenza del proprio DNA. Questo processo, denominato appunto 'differenziamento', comporta l'attivazione e la disattivazione selettiva, in una sequenza programmata, di geni diversi. Tali modificazioni delle caratteristiche delle cellule sono spesso irreversibili e, pertanto, una cellula nervosa umana non può trasformarsi in un globulo rosso o regredire allo stadio di cellula embrionale immatura (vedi Sviluppo).
Il compimento efficiente e armonico delle diverse funzioni dell'organismo è dovuto ai sistemi di comunicazione esistenti tra le cellule e tra queste e l'ambiente esterno. L'importanza di questi meccanismi di controllo diventa particolarmente evidente proprio quando essi vengono meno, come nel caso dei tumori che spesso portano alla morte dell'organismo. Il sistema di trasmissione dei segnali di molti organismi viventi è simile, per certi aspetti, al sistema elettrico di un'automobile. La molecola che funge da messaggero, prodotta e secreta da una cellula, in genere agisce su molecole, chiamate recettori, localizzate sulla superficie o all'interno di altre cellule; l'interazione tra messaggero e recettore può dare inizio a una cascata di reazioni biochimiche all'interno del citoplasma della cellula ricevente. Le modificazioni causate da queste reazioni, ad esempio la variazione della concentrazione di ioni e molecole specifiche, possono contribuire a regolare l'attività delle proteine, in particolare degli enzimi.
GLI ACIDI NUCLEICI
Tutti gli organismi contengono acidi nucleici sotto forma di acido deossiribonucleico (DNA) e ribonucleico (RNA)
Il DNA è il depositario dell'informazione genetica che viene trascritta (cioè copiata) in molecole di RNA. L'RNA contiene il codice per sintetizzare specifiche proteine.
Una molecola acido
nucleico è un polimero costituito da monomeri detti nucleotidi. Ciascun
nucleotide è costituito da tre molecole:
Uno zucchero pentoso è uno zucchero la cui molecola è costituita da 5 atomi di carbonio. La base azotata è legata al carbonio 1 dello zucchero pentoso, mentre l'acido fosforico (H3PO4) è legato al carbonio 5 che è esterno all'anello dello zucchero.
I nucleotidi si legano tra loro medianti legami fosfodiestere che collegano il C3 del pentoso di un nucleotide al C5 del nucleotide successivo. In questo modo l'acido fosforico impiega due dei suoi tre gruppi acidi nel legame fosfodiestere 3-5. il gruppo acido restante conferisce alla molecola di acido nucleico particolari caratteristiche:
Lo zucchero pentoso è il ribosio nell'RNA e il deossiribosio nel DNA. La differenza tra i due è che al deossiribosio manca l'ossigeno legato al C2.
Le basi azotate si chiamano così perché contengono molti atomi di azoto e possono essere di due tipi: purine o pirimidine
BASI AZOTATE
I nucleotidi che costituiscono la molecola del DNA sono:
Quelli che costituiscono la molecola dell'RNA sono gli stessi, ad eccezione del timidin monofosfato che è sostituito dall'uridin monofosfato.
Un nucleoside è un nucleotide a cui manca il fosfato, cioè sono la combinazione di uno zucchero pentoso e di una base azotata. Per esempio, è un nucleoside l'adenosina:
Adenina → base azotata
Adenosina → nucleoside (adenina + zucchero pentoso)
Adenosin monofosfato → nucleotide (adenina + zucchero pentoso + fosfato)
L'adenosin trifosfato (ATP) è un particolare nucleotide con tre acidi fosforici, uniti tra loro con legami ad alto contenuto energetico. Infatti questa è una molecola fondamentale per la cellula perché rappresenta la principale forma di accumulo di energia.
La molecola di DNA è costituita da 2 catene polinucleotidiche le quali formano una doppia elica intorno allo stesso asse centrale. Esse sono antiparallele: i legami 3-5 fosfodiestere sono rivolti in direzione opposta. Questo vuol dire che se una catena inizia con il C3 libero e finisce con il C5 libero, l'altra catena è disposta in modo contrario.
Le due catene sono unite tra loro mediante legami a idrogeno che si instaurano tra le basi complementari. Le uniche coppie tra le quali è possibile il legame sono A-T e C-G.
Tra A e T si instaurano due legami a idrogeno mentre tra C e G se ne formano tre, quindi la coppia C-G è più stabile.
A=T C≡G
La sequenza assiale di basi lungo una catena può variare molto, ma la sequenza della catena corrispondente deve essere complementare alla prima.
Le due catene possono essere separate tra loro rompendo il legame a idrogeno tra le coppie di basi. Questo può essere fatto mediante riscaldamento o un pH alcalino (fusione o denaturazione). Dopo la denaturazione si può riottenere la conformazione a doppia elica lasciando raffreddare lentamente il DNA, in modo che le badi possano riappaiarsi (rinaturazione)
La struttura dell'RNA è simile a quella del DNA, tranne che per la presenza del ribosio invece del deossiribosio e dell'uracile invece della timina. Inoltre L'RNA è costituito da una catena singola.
Ma le molecole di RNA, avendo estese regioni complementari all'interno di una stessa catena, spesso si ripiegano e tra le basi della catena si instaurano legami a idrogeno, formando delle anse a forcina.
Ci sono tre tipi di RNA:
Nelle cellule degli eucarioti il DNA non è libero ma associato a piccole proteine dette istoni, in un complesso chiamato cromatina. Esistono cinque tipi differenti di istoni, tutti di natura basica. Per questo motivo possono instaurare uno stretto legame con il DNA, di natura acida.
I quattro istoni principali, H2A, H2B, H3 e H4 hanno ciascuno una composizione simile anche nelle specie più diverse, mentre l'istone H1 è differente da specie a specie.
La cromatina può presentare vari livelli di organizzazione:
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:
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.
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:
prima avviene una dissociazione circoscritta delle due catene su un tratto interno alla molecola di DNA
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]
l'innesco di RNA resta appaiato allo stampo, poi arriva la DNApolimerasi che estende la catena per aggiunta di deossinucleotidi all'innesco
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
man mano che le catene figlie si estendono alla loro estremità 3' la doppia elica si apre a cerniera in entrambe le direzioni
il punto di rotolamento dell'elica si chiama forcella replicativi
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
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
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.
Gene Unità ereditaria del materiale genetico, che determina la trasmissione di una particolare caratteristica, o gruppo di caratteristiche, da una generazione alla successiva. I geni si trovano disposti linearmente lungo i cromosomi, che negli organismi eucariotici (con cellule dotate di nucleo circondato da membrana) sono conservati all'interno del nucleo della cellula. Sul cromosoma, ciascun gene occupa una posizione precisa, detta locus; per questo motivo, a volte, il termine locus viene usato in modo intercambiabile con il termine gene. Il materiale genetico è costituito dall'acido desossiribonucleico o DNA (Vedi Acidi nucleici), che forma lo 'scheletro' del cromosoma. Il DNA di ciascun cromosoma è una molecola continua, lunga e sottile, formata da una catena di quattro subunità, chiamate nucleotidi. Ciascun nucleotide è formato dall'unione di uno zucchero (desossiribosio), un gruppo fosfato a una di quattro basi azotate (adenina, guanina, citosina o timina). La sequenza in cui i diversi nucleotidi sono disposti sul filamento di DNA determina le proprietà dei diversi geni. I geni esercitano i loro effetti attraverso le molecole che producono. I prodotti immediati di un gene sono le molecole di acido ribonucleico (RNA); queste sono copie del DNA, tranne per il fatto che nell'RNA la timina viene sostituita da un'altra base azotata, detta uracile. Le molecole dell'RNA, a loro volta, dirigono la sintesi delle proteine: catene di subunità, chiamate amminoacidi, la cui sequenza è determinata, a mezzo del codice genetico dalla sequenza delle basi dell'RNA e quindi del DNA. La sequenza degli amminoacidi determina la funzione delle diverse proteine, che possono essere molecole strutturali, enzimi responsabili della catalisi delle reazioni chimiche dell'organismo, ormoni e molte altre importanti sostanze. Vista l'importanza del ruolo delle proteine nell'organismo, le modificazioni del DNA, che si riflettono in un'alterazione delle proteine, possono produrre variazioni nel funzionamento generale di un organismo. La parte di un gene che codifica per l'RNA e, di conseguenza, per una proteina è di solito affiancata da sequenze di basi a funzione regolatoria, che determinano in quali modalità e quantità un gene dev'essere copiato in una molecola di RNA e, quindi, tradotto in una nuova proteina. Oltre che da queste sequenze, il materiale genetico degli organismi superiori (animali e piante, contrapposti a batteri e virus ) è occupato per circa il 90% da porzioni di DNA non codificanti a funzione ancora sconosciuta.
La duplicazione del DNA avviene prima di ogni divisione cellulare, in modo che le cellule figlie ricevano ciascuna una copia fedele del patrimonio genetico parentale. Per costruire una copia della molecola di DNA, i due filamenti della doppia elica si despiralizzano e si separano a livello dei legami tra le basi; a questo punto ciascun filamento funziona da stampo per l'assemblaggio di due nuovi filamenti complementari. Si formano, così, due nuove doppie eliche, ciascuna costituita da un filamento vecchio e da uno nuovo (per questo motivo la reazione di duplicazione viene detta semiconservativa). Ciascun filamento di DNA è circa 100.000 volte più lungo del cromosoma che lo contiene. Ciò è dovuto alla condensazione della molecola di DNA, che si avvolge su particelle proteiche, chiamate nucleosomi, appena visibili con i più potenti microscopi elettronici. A sua volta, la struttura formata dal DNA e dai nucleosomi si avvolge ulteriormente su se stessa più volte, fino a raggiungere lo stato di condensazione tipico del cromosoma.
Il codice genetico
Dal momento che si era dimostrato che le proteine sono determinate dai geni e che ciascun gene è composto da porzioni di filamenti di DNA, i ricercatori pensarono che dovesse esistere una corrispondenza tra la sequenza delle 4 basi azotate nel DNA e la sequenza dei 20 amminoacidi nelle catene polipeptidiche. In altre parole, doveva esistere un processo per trasferire l'informazione contenuta nei geni alle strutture cellulari responsabili della sintesi proteica. Siccome nel DNA compaiono solo 4 tipi di basi azotate diverse, mentre nelle proteine vi sono 20 amminoacidi, chiaramente non può valere la corrispondenza una base-un amminoacido (così le proteine potrebbero essere composte da soli 4 amminoacidi), né quella di una sequenza di due basi per amminoacido (così verrebbero specificati solo 16 amminoacidi). La sequenza minima che garantisce la determinazione di tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine è data da combinazioni di 3 basi azotate, dette triplette o codoni, che costituiscono la base del codice genetico.
Traduzione
Mentre sta ancora avvenendo la trascrizione, l'mRNA inizia a staccarsi dal DNA. Al termine di questo processo, un'estremità del filamento della nuova molecola si inserisce, come il filo di una collana nella perla, in una struttura chiamata ribosoma. A mano a mano che il ribosoma scorre lungo l'mRNA, l'estremità del filamento si inserisce in un secondo ribosoma, poi in un terzo e così via. I ribosomi sono strutture di RNA e materiale proteico, deputate alla sintesi delle proteine. Con l'uso di microscopi elettronici ad altissima risoluzione è possibile fotografare le molecole di mRNA attaccate ai ribosomi. Un insieme di ribosomi legato a una molecola di mRNA è detto poliribosoma o polisoma. Scorrendo lungo la molecola di mRNA, il ribosoma 'legge' la sequenza delle basi azotate sull'mRNA. Questo processo prende il nome di traduzione e coinvolge un terzo tipo di molecola di RNA, chiamata RNA transfer (tRNA), che da una parte porta una tripletta di nucleotidi e dall'altra un amminoacido specifico, corrispondente alla tripletta. La tripletta di ciascun tRNA aderisce alla molecola di mRNA quando vi trova una tripletta complementare. Ad esempio, la sequenza uracile-citosina-uracile (UCU) sul filamento dell'mRNA viene occupata dal tRNA contenente la tripletta adenina-guanina-adenina (AGA). In contrapposizione alla tripletta dell'mRNA, che si chiama codone, quella del tRNA prende il nome di anticodone. Gli amminoacidi portati dal tRNA nella sequenza specificata dall'mRNA vengono, quindi, legati l'uno all'altro sui ribosomi, a formare una nuova catena polipeptidica. Una volta terminata, la catena polipeptidica si libera dal ribosoma e assume la sua forma tridimensionale specifica, determinata dalla sequenza degli amminoacidi. La forma di un polipeptide e le sue proprietà chimico-fisiche, entrambe determinate dalla sequenza amminoacidica, sono responsabili dell'eventuale unione di questa molecola ad altre catene polipeptidiche, nonché della funzione della proteina nell'organismo.
Differenze tra procarioti ed eucarioti
Nei procarioti, in cui il cromosoma è libero nel citoplasma, la traduzione può iniziare anche prima che la trascrizione sia terminata. Negli eucarioti, invece, i cromosomi sono isolati nel nucleo, mentre i ribosomi si trovano nel citoplasma, così la traduzione dell'mRNA nella proteina corrispondente può iniziare solo una volta che l'mRNA prodotto nel nucleo viene trasferito nel citoplasma. Un'altra peculiarità dei geni degli eucarioti è la presenza di sequenze di nucleotidi codificanti (esoni), interrotte da sequenze non codificanti (introni) che in alcuni casi possono essere anche cinquanta o più. Durante la trascrizione, gli introni vengono copiati insieme agli esoni su una molecola di mRNA molto grande; poi vengono eliminati da speciali enzimi nucleari e gli esoni vengono uniti l'uno all'altro in una sequenza continua, prima che l'mRNA passi nel citoplasma.Sebbene il significato della presenza degli introni nei geni degli eucarioti non sia ancora del tutto chiaro, alcuni ricercatori ritengono che la loro esistenza permetta una serie di combinazioni di frammenti genici che andrebbe ad aumentare il numero delle possibili proteine prodotte dall'organismo. Secondo questa ipotesi, cioè, i geni degli eucarioti sarebbero costituiti da un numero relativamente basso di strutture modulari, gli esoni, in grado di combinarsi in modi diversi per dare luogo a una vastissima gamma di geni e, di conseguenza, a una grandissima varietà di strutture proteiche. Inoltre gli introni e altre sequenze non codificanti sono probabilmente coinvolti nella regolazione della quantità di polipeptidi prodotti dai geni. La scoperta degli introni fu resa possibile dai metodi di determinazione della sequenza dei nucleotidi nelle molecole di DNA e RNA, sviluppati dal biologo molecolare Frederick Sanger. Studi sulle molecole del DNA hanno anche dimostrato la presenza, sempre negli eucarioti, di sequenze ripetute numerose volte nel materiale genetico. Alcune di queste codificano per l'RNA ribosomale, mentre altre non hanno alcuna funzione nota. Fra queste vi sono sequenze, detti trasposoni o elementi trasponibili, che sembrano in grado di saltare da una posizione all'altra di uno stesso cromosoma o dell'intero genoma.
Regolazione genica
Quasi tutte le cellule di un organismo derivano per divisione cellulare da un unico zigote e contengono un identico corredo genetico. Ciononostante, le proteine sintetizzate, ad esempio, dalle cellule del tessuto muscolare non sono necessariamente le stesse di quelle prodotte nel tessuto nervoso o in quello osseo. In altre parole, non tutti i geni del patrimonio genetico vengono espressi in tutti i tessuti dell'organismo. Quest'espressione differenziale è regolata in modo complesso da processi descritti per la prima volta da Jacques Monod e François Jacob nei batteri. Questi processi coinvolgono la presenza di sequenze regolatorie in prossimità o all'interno dei geni, le quali vengono riconosciute da specifiche molecole proteiche, con funzioni di inibizione o di attivazione della trascrizione dell'mRNA e dunque dell'espressione genica.
Trascrizione
L'esistenza e il ruolo biologico del codice genetico furono dimostrati dieci anni dopo la pubblicazione del modello del DNA di Watson e Crick. La specificazione di un polipeptide da parte di una molecola di DNA avviene indirettamente, attraverso l'intermediazione di una molecola nota come RNA messaggero (mRNA). L'mRNA è una replica di una porzione di DNA, la quale si despiralizza e serve da stampo per la sintesi di questa molecola. Questo processo, chiamato trascrizione, è molto simile alla duplicazione del DNA, con la differenza che l'RNA come base complementare all'adenina (A) contiene uracile (U) al posto della timina (T).
Trascrizione
La trascrizione è il processo di sintesi di un filamento di RNA messaggero, transfer o ribosomale a partire da un tratto di DNA, che viene usato come stampo. La doppia elica di quest'ultimo si srotola, rendendo accessibile uno dei due filamenti agli enzimi che controllano la reazione di sintesi. I nucleotidi necessari per costruire la nuova molecola di RNA vengono aggiunti uno per uno, in una sequenza complementare a quella dello stampo: la guanina (G) dell'RNA si lega alla citosina (C) del DNA, la citosina (C) alla guanina (G), l'adenina (A) alla timina (T) e l'uracile (U) all'adenina (A).
Mutazioni
Sebbene la duplicazione del DNA sia molto accurata, essa non è sempre perfetta. Raramente capitano, infatti, degli errori, per cui il nuovo frammento di DNA contiene uno o più nucleotidi diversi dall'originale. Questi errori, o mutazioni, possono avvenire in qualunque punto del DNA: se avvengono in una sequenza di DNA codificante per un particolare polipeptide, nella catena polipeptidica si può avere la variazione di un singolo amminoacido o anche un'alterazione più grave della proteina risultante. L'anemia falcemica è, ad esempio, causata da una mutazione genetica che determina la sintesi di una molecola di emoglobina mutante, la quale differisce dalla forma normale per un singolo amminoacido. Quando una mutazione avviene nel patrimonio genetico dei gameti, essa può essere trasmessa alle generazioni successive. Il primo a parlare di mutazioni fu, nel 1901, il botanico olandese Hugo De Vries, che insieme ad altri ebbe anche il merito di riportare alla luce il lavoro di Mendel. Nel 1929 il biologo statunitense Hermann Joseph Muller osservò che i raggi X possono fare aumentare grandemente la frequenza delle mutazioni. In seguito, la lista delle sostanze mutagene si allargò ad altre forme di radiazioni, alle alte temperature e a un gran numero di composti chimici. La frequenza di mutazione aumenta, inoltre, quando alcuni geni che codificano per fattori proteici responsabili della fedeltà della duplicazione del DNA o della correzione degli errori sono a loro volta mutati. Altri fattori che possono causare mutazioni sono i trasposoni (vedi sopra).
Il DNA e la sintesi delle proteine
Dopo le scoperte di Beadle e Tatum e di Watson e Crick, rimaneva ancora da chiarire come il DNA potesse dirigere la costruzione delle proteine, i componenti principali della maggior parte delle strutture della cellula e le molecole fondamentali per lo svolgimento e la regolazione di quasi tutte le reazioni chimiche dell'organismo. La capacità di una proteina di essere parte di una struttura cellulare, o di agire come un enzima che catalizza una particolare reazione chimica, dipende dalla sua forma molecolare e, dunque, dalla sua composizione. Ciascuna proteina è costituita dall'unione di subunità, chiamate amminoacidi, in una o più catene polipeptidiche. Nelle cellule sono presenti venti tipi diversi di amminoacidi. Il numero, il tipo e la sequenza degli amminoacidi nella catena determinano la struttura e la funzione della proteina e sono a loro volta determinati dal gene codificante per quella specifica catena.
La sintesi proteica avviene nel citoplasma, presso piccoli organelli cellulari detti ribosomi. Nella prima fase (a sinistra) gli aminoacidi, le unità elementari delle proteine, convergono nella sede della sintesi. Quindi vengono uniti in una lunga catena la cui sequenza è imposta dall'RNA messaggero (mRNA), una copia molecolare precedentamente trascritta della porzione di DNA relativa alla proteina da sintetizzare. Il processo termina (a destra) con l'intervento del fattore di rilascio che si lega all'mRNA in corrispondenza di uno o più codoni di arresto, rompendo il complesso. La catena così rilasciata costituisce la struttura primaria della proteina.
GENE
Ciascuna delle particelle organiche, presenti nei cromosomi,
determinanti uno o più caratteri genetici
DNA
Acido desossiribonucleico
REPLICAZIONE TRASCRIZIONE
1)Separazione
dei filamenti opposti
I due filamenti opposti della doppia
elica si svolgono e si separano l'uno
dall'altro.
2)L'accoppiamento
delle basi complementari RNA
Le basi disaccoppiate formano
nuovi legami
ad idrogeno con nucleotidi liberi presenti in
soluzione.
3)L'unione dei
nucleotidi in un nuovo filamento
Un particolare enzima lega tra loro, in un filamento
continuo, i nucleotidi che sono andati via via
aderendo con le loro basi azotate a ciascuno dei
filamenti originari, formando così due nuove
doppie eliche.
1)Separazione dei filamenti complementari
Nel nucleo appositi enzimi provocano lo
svolgimento di una porzione della doppia
elica e la separazione dei due filamenti che
lo compongono.
2)Appaiamento delle basi complementari
Nucleotidi contenenti ribosio diffondono
nel nucleo e si accoppiano ai nucleotidi
di uno dei filamenti di DNA.
3)Unione dei nucleotidi
L'enzima RNA-polimerasi unisce i nucleotidi
Adiacenti, formando un filamento singolo di
RNA.
LA SINTESI DELLE PROTEINE
mRNA
CODONI tRNA
Di Inizio (AUG) Inizio
Il tRna iniziatore si lega alla
subunità piccola di un ribosoma
dopo di che a questa si legano
l'mRNA e la subunità grande.
Allungamento
Di Stop (UAA,UAG,UGA) Un secondo tRNA appai le basi
del suo anticodone al secondo
codone del mRNA, allineando
il suo amminoacido al precedente.
Terminazione
A un certo punto, il ribosoma arriva
un codone di stop, che indica la fine
del messaggio.
CATENA POLIPEPTIDICA tRNA ESPULSO
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