La funzione primaria di tutti gli organismi viventi, dalla posizione spassionata della sopravvivenza delle specie, è di propagare con successo materiale genetico alle generazioni successive. Parte di questo compito, ovviamente, è rimanere vivi e in salute per il tempo necessario per accoppiarsi e riprodursi. Come risultato di queste realtà, le unità fondamentali degli esseri viventi, le cellule, hanno due lavori principali: fare copie identiche di se stesse per mantenere la crescita, eseguire riparazioni e prendersi cura di altre funzioni quotidiane a livello di tessuti, organi e tutto organismo; e generare cellule specializzate chiamate gameti che si combinano con gameti di altri organismi della specie per generare prole.
Il processo di replica di cellule intere per produrre cellule figlie identiche a quelle chiamate mitosi, e si verifica in tutti gli eucarioti, che sono animali, piante e funghi (i procarioti, quasi tutti batteri, si riproducono per fissione binaria, simile alla mitosi ma più semplice). La generazione di gameti si verifica solo nelle gonadi e si chiama meiosi. Sia la mitosi che la meiosi sono suddivise in cinque fasi, che nel caso della meiosi comprende due cicli di ciascuna fase per cellula originale poiché la meiosi determina quattro nuove cellule anziché due. La prima e la più lunga di queste fasi si chiama prophase, che nella meiosi I è ulteriormente suddivisa in cinque fasi.
Qual è il "materiale genetico"?
Tutti gli esseri viventi sulla Terra hanno DNA, o acido desossiribonucleico, come materiale genetico. Il DNA è uno degli acidi nucleici di una coppia che esiste nei sistemi viventi, l'altro è acido ribonucleico (RNA). Entrambe queste macromolecole - così chiamate perché composte da un gran numero di atomi, in questo caso disposte in lunghe catene di subunità ripetute chiamate nucleotidi - sono assolutamente critiche, sebbene in modi diversi. Il DNA, il portatore di informazioni genetiche a livello di radice, è necessario per produrre l'RNA, ma l'RNA si presenta in una varietà di forme ed è probabilmente più versatile.
Le subunità da cui sono prodotti sia il DNA che l'RNA sono chiamate nucleotidi . Ognuno di questi è costituito da tre parti: uno zucchero a cinque atomi di carbonio che include una struttura ad anello pentagonale centrale (nel DNA questo zucchero è desossiribosio; nell'RNA è ribosio, che ha un atomo di ossigeno aggiuntivo), un gruppo fosfato e un azoto base ricca di azoto). Ogni nucleotide ha solo una di queste basi, ma sono disponibili in quattro gusti per ciascun acido nucleico. Il DNA contiene adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T); L'RNA include i primi tre ma sostituisce uracile (U) con timina. Poiché tutta la variazione tra i nucleotidi è dovuta alle differenze in queste basi e gli acidi nucleici sono costituiti da lunghe catene di nucleotidi, tutta la variazione tra filamenti di DNA e tra DNA in diversi organismi, è dovuta alla variazione in queste basi. Pertanto, i filamenti di DNA sono scritti in termini delle loro sequenze di base, come AAATCGATG.
Il DNA esiste nelle cellule viventi sotto forma di un'elica a doppio filamento o forma di cavatappi. Questi filamenti sono collegati da legami idrogeno tra le loro basi azotate su ciascun nucleotide; A si accoppia in modo univoco con T e C si accoppia in modo univoco con G, quindi se si conosce la sequenza di un filamento, è possibile prevedere facilmente la sequenza dell'altro, chiamato filamento complementare.
Quando l'RNA messaggero (mRNA) è sintetizzato dal DNA in un processo chiamato trascrizione, l'mRNA prodotto è complementare al filamento di DNA modello, ed è quindi identico al filamento di DNA che non viene utilizzato come modello ad eccezione di U che appare nell'mRNA dove T appare nel DNA. Questo mRNA si sposta dal nucleo delle cellule dove viene fatto al citoplasma, dove "trova" strutture chiamate ribosomi, che producono proteine usando le istruzioni dell'mRNA. Ogni sequenza a tre basi (ad es. AAU, CGC), chiamata codone tripletto, corrisponde a uno dei 20 aminoacidi e gli aminoacidi sono le subunità di proteine intere allo stesso modo in cui i nucleotidi sono le subunità degli acidi nucleici. > Organizzazione del DNA all'interno delle cellule
Il DNA stesso appare raramente negli esseri viventi da solo. La ragione di ciò, per dirla in parole povere, è la quantità fenomenale che è necessaria per trasportare i codici per tutte le proteine che un organismo deve produrre. Una singola copia completa del tuo DNA, ad esempio, sarebbe lunga 6 piedi se allungata da un capo all'altro e hai una copia completa di questo DNA in quasi ogni cellula del tuo corpo. Poiché le cellule hanno un diametro di solo 1 o 2 micron (milionesimi di metro), il livello di compressione necessario per imballare il materiale genetico in un nucleo cellulare è astronomico.
Il modo in cui il tuo corpo lo fa è studiando il tuo Il DNA con complessi proteici chiamati ottoni ottonici per creare una sostanza chiamata cromatina, che è circa due terzi di proteine e un terzo di DNA. Mentre aggiungere massa per ridurre le dimensioni sembra controintuitivo, pensaci più o meno allo stesso modo di un grande magazzino che paga persone di sicurezza per prevenire la perdita di denaro attraverso il taccheggio. Senza questi istoni relativamente pesanti, che consentono il ripiegamento e lo spooling estremamente estesi del DNA attorno ai loro nuclei, il DNA non avrebbe alcun mezzo per essere condensato. Gli istoni sono un investimento necessario a tal fine.
La stessa cromatina è divisa in molecole discrete chiamate cromosomi. Gli umani hanno 23 cromosomi distinti, 22 dei quali sono numerati e il rimanente è un cromosoma sessuale (X o Y). Tutte le tue cellule tranne i gameti hanno due cromosomi numerati e due cromosomi sessuali, ma questi non sono identici, semplicemente accoppiati, perché ricevi uno di questi da tua madre e l'altro da tuo padre. I cromosomi corrispondenti ereditati da ciascuna fonte sono chiamati cromosomi omologhi; ad esempio, le copie materne e paterne del cromosoma 16 sono omologhe.
I cromosomi, nelle cellule di nuova formazione, esistono brevemente in forma semplice e lineare prima di replicarsi in preparazione alla divisione cellulare. Questa replica si traduce nella creazione di due cromosomi identici chiamati cromatidi fratelli, che sono collegati in un punto chiamato centromero. In questo stato, quindi, tutti i 46 dei tuoi cromosomi sono stati duplicati, portando a 92 cromatidi in tutto.
Panoramica sulla mitosi
Mitosi, in cui il contenuto dei nuclei delle cellule somatiche (cioè, " le cellule di tutti i giorni, o non gametes) si dividono, comprendono cinque fasi: prophase, prometaphase, metaphase, anaphase e telophase. La fase, discussa in dettaglio a breve, è la più lunga di queste ed è principalmente una serie di decostruzioni e dissoluzioni. In prometaphase, tutti e 46 i cromosomi iniziano a migrare verso il centro della cellula, dove formeranno una linea perpendicolare alla direzione in cui la cellula verrà presto separata. Su ciascun lato di questa linea, chiamata piastra metafase, si trovano strutture chiamate centrosomi; da queste fibre proteiche irradiate chiamate microtubuli, che formano il fuso mitotico. Queste fibre si collegano ai centromeri dei singoli cromosomi su entrambi i lati in un punto chiamato cinetocoro, impegnandosi in una sorta di tiro alla fune per garantire che i cromosomi, o più specificamente i loro centromeri, formino una linea perfettamente dritta lungo la piastra metafase. (Immagina un plotone di soldati che passano da una fila e una colonna riconoscibili - una sorta di "prometafase" - a una formazione rigida e pronta per l'ispezione - l'equivalente di "metafase".)
In anafase, il la fase più breve e drammatica della mitosi, le fibre del fuso separano i cromatidi dai loro centromeri, con un cromatide attirato verso il centrosoma su ciascun lato. La cellula che presto si divide ora sembra oblunga al microscopio, essendo "più grassa" su ciascun lato della piastra metafase. Infine, in telofase, due nuclei figlie sono completamente formati dall'apparizione di membrane nucleari; questa fase è come una corsa di fase al contrario. Dopo la telofase, la cellula stessa si divide in due (citocinesi). Panoramica della meiosi
La meiosi si sviluppa in cellule specializzate delle gonadi (testicoli nei maschi, ovaie nelle femmine). Contrariamente alla mitosi, che crea cellule "quotidiane" da includere nei tessuti esistenti, la meiosi crea gameti, che si fondono con i gameti del sesso opposto nella fecondazione.
La meiosi è divisa in meiosi I e meiosi II. Nella meiosi I, anziché tutti i 46 cromosomi che formano una linea lungo la piastra metafase come nella mitosi, i cromosomi omologhi si "rintracciano" e si accoppiano, scambiando del DNA nel processo. Cioè, il cromosoma materno 1 si collega al cromosoma paterno 1 e così via per gli altri 22 cromosomi. Queste coppie sono chiamate bivalenti.
Per ogni bivalente, il cromosoma omologa del padre si ferma su un lato della piastra metafase, e il cromosoma omologa della madre poggia sull'altro. Ciò si verifica indipendentemente in ciascun bivalente, quindi un numero casuale di cromosomi di provenienza paternale e di provenienza materna si avvolgono su ciascun lato della piastra metafase. I processi di scambio del DNA (noto anche come ricombinazione) e di allineamento casuale (noto anche come assortimento indipendente) assicurano la diversità nella prole a causa della gamma praticamente illimitata di DNA che provoca la formazione di gameti.
Quando la cellula che subisce la meiosi I si divide , ogni cellula figlia ha una copia replicata di tutti e 23 i cromosomi, anziché 46 cromatidi alla mitosi. Tutti i 46 centromeri sono quindi imperturbati all'inizio della meiosi II.
La meiosi II è, a tutti gli effetti pratici, una divisione mitotica, poiché i cromatidi dalla meiosi che separo dai centromeri. Il risultato finale di entrambi gli stadi della meiosi sono quattro cellule figlie in due diverse coppie identiche, ciascuna con 23 cromosomi singoli. Ciò consente la conservazione di 46 cromosomi quando gameti maschili (spermatociti) e gameti femminili (ooctyes) si uniscono alla fecondazione.
Prophase in Mitosi
Prophase occupa oltre la metà della mitosi. La membrana nucleare si rompe e forma piccole vescicole e il nucleo all'interno del nucleo si disintegra. Il centrosoma si divide in due, con i componenti risultanti che prendono residenza sui lati opposti della cellula. Questi centrosomi iniziano quindi a generare microtubuli che si espandono verso la piastra metafase, in modo simile, forse, al modo in cui un ragno genera la sua tela. I singoli cromosomi diventano completamente compatti, rendendoli più riconoscibili al microscopio e consentendo una facile visualizzazione dei cromatidi fratelli e del centromero tra loro.
Prophase in Meiosis
Prophase of meiosis I comprende cinque fasi. Nella fase del leptotene, tutte le strutture dei cromosomi omologhi non ancora accoppiati iniziano a condensarsi, in modo simile a quanto avviene nella prophase nella mitosi. Nella fase zigotenica, i cromosomi omologhi si associano in un processo chiamato sinapsi, con una struttura chiamata complesso sinaptonemico che si forma tra gli omologhi. Nella fase pachitenica, si verifica la ricombinazione tra cromosomi omologhi (detta anche "incrocio"); pensa a questo mentre scambi forse un calzino e un cappello con un fratello che assomigli molto nell'aspetto e nel vestito. Nella fase diplomatica, i bivalenti iniziano a separarsi, ma gli omologhi rimangono fisicamente uniti ai loro chiasmi. Infine, nella diakinesis, i cromosomi continuano a separarsi ulteriormente, con i chiasmata che si spostano verso le loro estremità.
È essenziale riconoscere che senza meiosi, e senza gli eventi della fase I, in particolare, pochissime variazioni tra i diversi gli organismi sarebbero evidenti. La mescolanza del materiale genetico che si verifica in questa fase è l'intera essenza della riproduzione sessuale.
La Fase II, che si verifica nelle cellule figlie non identiche formate dalla meiosi I, vede i singoli cromosomi condensarsi nuovamente in forme riconoscibili , con la membrana nucleare che si dissolve mentre si forma il fuso mitotico.
