Appunti di Genetica: fondamenti, geni, cromosomi, mitosi e meiosi

La genetica e i caratteri ereditari

La genetica è quella scienza che studia tutte quelle caratteristiche che si possono ereditare. Possono essere caratteristiche esteriori (capelli rossi, lentiggini), oppure gruppi sanguigni, oppure caratteristiche chiaramente patologiche. Tutto ciò che è ereditabile viene definito carattere in genetica. Ci occuperemo di due aspetti: da una parte la genetica formale, ossia in che modo queste caratteristiche si trasmettono da una generazione all'altra. (Perché è importante? Per capire qual è il rischio per la generazione successiva); dall'altra la genetica molecolare: andiamo a capire quali sono le cause molecolari della manifestazione di quel carattere. I caratteri possono essere normali (gruppi sanguigni), o patologici.

Caratteri normali e patologici

Tra i caratteri normali ci sono i colori di occhi e capelli, i gruppi sanguigni, l'altezza, il peso (in parte ereditario), il quoziente intellettivo, la capacità di arrotolare la lingua, la percezione dei colori (chi ha un genitore non in grado di distinguere i colori, può non essere in grado di distinguere i colori), la fossetta sul mento, le lentiggini, l'iperestensibilità del pollice, il tipo di mento, ecc. Poi ci sono i caratteri patologici, alcuni prettamente genetici, come l'anemia falciforme, l'emofilia (incapacità di coagulare il sangue), la fibrosi cistica, la distrofia muscolare, in particolare quella di Duchenne. Dopodiché esiste un'altra categoria: tumori, infarto, malattie cardiovascolari, che sono di tipo multifattoriale (predisposizione genetica unita a fattori ambientali). Vale anche per la sclerosi multipla, malattia multifattoriale con un tratto ereditario. La sindrome di Down, forse la più nota, è invece dovuta alla presenza di un cromosoma in più.

Fenotipo: interazione tra geni e ambiente

Tutti i caratteri che dell'individuo sono osservabili (con qualsiasi mezzo di indagine, non solo con gli occhi! Es: gruppo sanguigno) costituiscono il fenotipo, cioè come si presenta esteriormente l'individuo. Ciò che è osservabile in un individuo è dato sia dai geni sia dall'ambiente (esempio: predisposizione alla ipercolesterolemia, la cui effettiva manifestazione dipende poi dalla dieta che osservo). Quindi il fenotipo è l'interazione tra geni e ambiente. Alcuni caratteri sono determinati esclusivamente dai geni: l'ambiente non ha alcun effetto (esempi: sindrome di down, o gruppo sanguigno). Infine ci sono fenotipi considerati esclusivamente ambientali: è solo l'ambiente che determina la comparsa di quel fenotipo (es: frattura). La maggior parte dei caratteri che determinano il fenotipo sono quelli per cui c'è predisposizione genetica e un effetto ambientale. Esempi di fenotipi esclusivamente ambientali sono: un bambino che viene estratto col forcipe e resta menomato; una madre che fuma in gravidanza può portare malformazioni al bambino; fratture; ustioni; infezioni (esempio: colera). Tuttavia fratture e infezioni possono avere talvolta una componente genetica. (Ricordare che il diabete è una malattia multifattoriale, come obesità, ipertensione e labiopalatoschisi). I caratteri multifattoriali sono quelli che prevedono l'interazione tra geni e ambiente.

Il gene e il DNA

Cos'è un gene?

Ma cos'è un gene? Il dna (acido desossiribonucleico) è costituito da una doppia elica, che contiene basi azotate, le quali, a seconda di come sono messe in successione, determinano come siamo fatti. Il gene non è altro che una piccola porzione di tutto il nostro dna. È un pezzo di informazione genetica che consente di esprimere un determinato carattere. Esempio: il carattere del gruppo sanguigno è determinato da una piccola porzione di tutto il nostro dna. L'informazione genetica, che determina come siamo, è presente in quasi tutte le nostre cellule e la maggior parte dell'informazione genetica è nel nucleo della cellula. All'interno del nucleo c'è la molecola fondamentale della cellula, che dice alla cellula come deve diventare e che determina come poi siamo fatti noi. Un gene è una piccola unità di informazione, è una piccola porzione di informazione. È il gene che contiene l'informazione tradotta poi in proteina, ed è la proteina che determina la comparsa del fenotipo. La singola elica è un polimero in cui si vede la successione di (desossi)ribosi, tenuti assieme da un gruppo fosfodiestere, il gruppo fosfato fa un doppio legame esterico con due ribosi e questo determina lo scheletro. Abbiamo poi diverse basi azotate (i nucleotidi): adenina, timina, guanina, citosina. Tra di loro si uniscono con legame idrogeno. La guanina può legarsi solo con la citosina e viceversa. Lo stesso dicasi per adenina e timina. Durante la replicazione del dna vengono rotti i legami idrogeno.

DNA nucleare e mitocondriale

Tutto il dna della cellula risiede nel nucleo, però c'è un'altra molecola di dna nei mitocondri, i quali anticamente erano batteri fagocitati all'interno cellula, che hanno mantenuto il loro genoma. Quindi il dna è per il 99% nel nucleo, e poi ce n'è una piccola parte nei mitocondri. Il dna del nucleo è protetto dalla membrana nucleare, perché non deve essere disperso. Il genoma nucleare è costituito da 3 x 10 ^9 basi. il genoma mitocondriale da 16.000 basi. "Genoma" indica tutto il dna presente nella cellula. Se voglio riferirmi solamente a quello del nucleo dico "genoma nucleare". Il numero di geni è circa 25.000 nel nucleo e solo 37 nei mitocondri, che hanno l'informazione per produrre proteine che servono solo per il mitocondrio (quindi per la respirazione cellulare). Il genoma è tutto ciò che prendo e trasmetto di un organismo. È in tutte le cellule del mio corpo che sono in grado di dividersi. Ve ne sono alcune che non sono in grado di dividersi: per esempio i globuli rossi, che non hanno il nucleo. Quindi il dna non può essere estratto dai globuli rossi. Le altre cellule, anche se morfologicamente diverse, hanno lo stesso genoma. Quindi da qualsiasi cellulaposso dedurre il genoma, perché vi è la stessa informazione genetica, che è costituita da 4 basi: a, c, g, t, che possono dare combinazioni illimitate: nessuno (a parte i gemelli monozigoti!) è uguale a qualcun altro, nessuno presenta cioè la stessa sequenza di basi.

Dimensioni del genoma e dei geni

Le dimensioni: quando parliamo di genoma, parliamo di molecole di dna, che ha circa 3.000.000.000 di basi e i geni (circa 25.000) sono lunghi mediamente 27.000 basi. Non tutto il genoma è occupato dai geni: non conosciamo ancora la funzione di molto dna. Ci sono geni grossi e geni piccoli. Solo il 3% del genoma è occupato da geni.

Espressione genica: dal DNA alle proteine

I geni sono sempre nel nucleo e contengono informazioni per fare delle proteine che vengono prodotte nel citoplasma. L'informazione arriva nel citoplasma, perché il dna viene trascritto: la doppia elica del dna viene aperta da un enzima, il dna viene trascritto e portato fuori dal nucleo grazie all'rna messaggero, la trascrizione giunge ai ribosomi, che fanno la proteina. Il gene ha l'informazione, la proteina determina la manifestazione del carattere. Se il gene è danneggiato, viene fatta una proteina diversa, o non viene fatta per niente, quindi o il carattere verrà espresso in maniera diversa, o non verrà proprio espresso, perché non ho la proteina. Quindi i geni codificano per proteine, esprimono l'informazione per proteine: non c'è l'informazione genetica per fare zuccheri o grassi. L'rna non presenta la doppia elica ed ha ribosio al posto del desossiribosio. Il pre-rna, copia del dna, contiene sequenze importanti, esoni, e delle parti meno importanti, introni; il pre rna viene elaborato e si forma rna messaggero, che non è altro che il taglio e la cucitura delle parti importanti (splicing). L'm rna può uscire e venir letto. Il processo di trascrizione è dunque fatto nel nucleo, quello di traduzione nel citoplasma.

Il genoma nucleare e i cromosomi

Cromatina e nucleolo

Adesso cominciamo a parlare di genoma nucleare. All'interno del nucleo il dna è una massa abbastanza uniforme e si chiama cromatina. Il nucleolo è un concentramento di geni che hanno l'informazione per l'rna ribosomale, che si addensano a formare il nucleolo. Vedo una massa scura e non i cromosomi. In realtà vi sono 46 flamenti, tutti aggrovigliati. Quando la cellula sta per dividersi, la massa scura si organizza in 46 filamenti distinti e quando si condensa e spiralizza emergono 46 cromosomi. Quindi cosa sono i cromosomi? Sono il massimo grado di compattamento del dna, della cromatina. Il gene è una porzione molto piccola di tutto il genoma, un puntino piccolissimo all'interno del cromosoma. Quindi la cromatina è il dna avvolto su delle proteine, che prendono il nome di istoni. Si avvolge in modo molto ordinato per raggiungere il massimo grado di compattamento. A loro volta le proteine istoniche, su cui il dna si è avvolto, prendono il nome di nucleosoma. Tutti i nucleosomi vanno poi a compattarsi fra di loro. Il massimo grado di spiralizzazione è il cromosoma. (Le otto proteine con attorno dna formano il nucleosoma, i nucleosomi si avvicinano poi l'uno all'altro e compattano la cromatina. Il Dna nel nucleo ha sempre le proteine istoniche attaccate. Tutte le proteine col dna fanno la cromatina; quando la proteina si compatta diventa cromosoma. Tutto avviene dentro al nucleo).

Struttura del cromosoma metafasico

Possiamo vedere la "x" del cromosoma perché questo si è prima duplicato e poi condensato. La struttura a x è il cromosoma metafasico: due copie di dna sono unite da una strozzatura (centromero); le due copie, identiche, sono i cromatidi fratelli. Le estremità del cromosoma sono invece i telomeri.

Corredo cromosomico e divisione cellulare

Il corredo cromosomico è l'insieme di tutti i cromosomi presenti in una singola cellula. Il corredo cromosomico di un muscolo è uguale, per esempio, a quello di un linfocita. La cellula fa i cromosomi prima di dividersi, perché li deve duplicare per poterli poi dividere equamente nelle cellule figlie. Perciò la cromatina deve essere condensata in cromosomi, per assicurare corretta qualità e quantità alle cellule figlie. (importante: la cellula fa i cromosomi solo nella cellula in divisione). Il numero dei cromosomi è specie specifico: l'uomo ne ha 46. Se prendo tutti i cromosomi e li metto in ordine vedo che sono a coppie. Ci sono 22 coppie identiche (autosomi), poi c'è una coppia di eterosomi, o cromosomi sessuali, l'x e l'y. L'y ha pochissimi geni e quasi tutti deputati alla produzione di sperma. È un cromosoma che si sta perdendo. Gli elementi della coppia di cromosomi uguali sono i cromosomi omologhi. Le cellule che contengono due serie complete di cromosomi si dicono diploidi (2n). Da dove mi derivano questi cromosomi? Uno da mio padre e uno da mia madre e questo per tutti i cromosomi. Lo stesso è per i cromosomi sessuali: la x arriva dalla madre e la y dal padre. Se arriva una x dal padre, nasce una femmina. Ci sono cellule che non hanno due serie complete, ma una sola. Sono le cellule sessuali (uovo e spermatozoo). Non sono 2n, ma n, si dice che sono "aploidi". I cromosomi omologhi sono uno materno e uno paterno, in metafase sono costituiti entrambi da due cromatidi fratelli, identici tra loro, perché uno fotocopia dell'altro, quindi ogni cromosoma omologo è formato da 2 cromatidi fratelli, che sono dovuti a duplicazione del dna. I cromosomi fratelli sono identici come sequenza di geni, ma è uguale anche la successione di basi. Invece i cromosomi omologhi sono uguali per forma, dimensione, tipo di informazione genetica (sequenza geni identica), ma la successione di lettere non è identica, perché uno arriva dal padre e uno dalla madre, che