CORSO DI BIOLOGIA Giorno 26/02/10 io con altri due miei compagni (Fabrizio Anatra e Angela Barbagallo) ho avuto la fortuna di partecipare al corso di biologia “NATURA VIVENTE” che si è svolto nel laboratorio di biologia, nella sede centrale della scuola, con la collaborazione di due ragazze appena laureate in biologia naturale (Valentina e Viviana) e la Professoressa Vittorelli, docente di biologia molecolare e biotecnologie dell’Università di Palermo. L’argomento su cui verteva l’incontro era “IL COMPORTAMENTO DEI CROMOSOMI DURANTE LA MITOSI E LA MEIOSI”.

INDICE LE MIE CONSIDERAZIONI LA MITOSI LA MEIOSI COME E’ FATTO UN MICROSCOPIO…?!? LE DIVERSE FASI DELLA MITOSI VISTE AL MICROSCOPIO… LA MEIOSI ABBERAZIONI CROMOSOMICHE CARIOTIPO LE MIE CONSIDERAZIONI

LA MITOSI Le dottoresse, dopo aver riassunto il comportamento della cellula durante la mitosi in cui la cellula madre si divide in due cellule figlie, alle 9:30 hanno mostrato alla classe un video in cui venivano indicate, tramite delle diapositive, le diverse fasi della MITOSI. Alle 9:35 dopo esserci divisi in gruppi, formati da 4 persone ciascuno (il mio gruppo era formato da Angela Barbagallo, Antonio Corsello e Marianna Vaglica, due ragazzi della III L) e aver ricevuto il materiale di lavoro, abbiamo dato inizio al nostro esperimento ovvero la simulazione del comportamento dei cromosomi durante la mitosi. Per far questo ci hanno consegnato: 60 palline rosse e 60 palline gialle (ogni pallina simboleggia un gene), 4 magneti bianchi (che simboleggiano i centromeri); 2 perline (un rosa e un’altra blu) per simboleggiare i centrioli; un sacchetto di plastica che simboleggia la membrana del nucleo e 4 pezzi di filo di 75 cm di lunghezza ( che simboleggiano i microtubuli) .

del nucleo, un organello cellulare circondato da una membrana porosa. La prima operazione da fare era quella di “COSTRUIRE DEI MODELLI DI CROMOSOMI”: Per costruire un cromatide bisognava collegare tra loro 15 palline e unirle a sua volta con altre 15 palline per mezzo di un centromero. Dopo esserci suddiviso il lavoro, mentre io e Angela ci siamo occupate di costruire un cromosoma formato da due cromatidi fratelli ,ovvero l’unione di due cromatidi dello stesso colore (rosso) legati tra loro da due centromeri; Antonio e Marianna hanno costruito l’altro cromosoma di colore giallo. Successivamente abbiamo rappresentato “L’INTERFASE” in cui il materiale genetico di una cellula, che ancora non si sta dividendo,si trova all’interno del nucleo, un organello cellulare circondato da una membrana porosa. Quindi per poter rappresentare il nucleo, abbiamo inserito i due cromosomi all’interno di un sacchetto di plastica (che simboleggia la membrana cellulare) e abbiamo messo il sacchetto al centro del nostro tavolo di lavoro posizionando i due centrioli vicino al nucleo perpendicolarmente l’uno rispetto all’altro.

Per riprodurre la fase della mitosi chiamata “METAFASE”, in Per simulare “LA PROFASE”in cui i centrioli , separandosi l’uno dall’altro e spostandosi ai poli opposti della cellula, si uniscono con un sistema di microtubuli formando l’aster e ciascun cromosoma appare diviso per lungo in due cromatidi fratelli che sono uniti tra loro da una struttura chiamata centromero. Per simulare ciò abbiamo separato i due centrioli ponendoli ad una distanza di circa 50 cm da ciascun lato del nucleo sulla stessa retta e con il lato lungo parallelo alla diagonale del nucleo; abbiamo estratto i cromosomi dal sacchetto di plastica (che si sarebbe dovuto disperdere in frammenti) e formato un anello ad un estremo di ciascuno filo . Successivamente abbiamo utilizzato questo anello per formare un cappio attorno al centromero di ciascun cromatide e infine abbiamo disteso il filo che lega i centromeri dei due cromatidi fratelli verso i centrioli ai due poli opposti facendo passare il filo attraverso la loro cavità interna. Per riprodurre la fase della mitosi chiamata “METAFASE”, in cui la membrana cellulare si dissolve ed i microtubuli che si irradiano dai centromeri si connettono con i centrioli e trasportano i cromosomi all’equatore della cellula; abbiamo tirato leggermente i fili in modo da portare i cromosomi nel punto di mezzo fra i due centrioli.

Per rappresentare “L’ANAFASE” fase della mitosi in cui i cromatidi fratelli si separano l’uno dall’altro ed iniziano a muoversi in direzione opposta, ciascuno verso uno dei due centrioli; abbiamo continuato a tirare i fili fino a quando i centromeri si sono separati. Dopo la separazione i cromatidi prendono il nome di cromosomi fratelli. Infine per simulare “LA TELOFASE”in cui i cromosomi hanno raggiunto i poli opposti del fuso,che comincia a disperdersi e si ha una riorganizzazione che porta alla divisione del citoplasma e alla riformazione del nucleo; abbiamo rimosso i fili e abbiamo riavvolto i due cromosomi insieme accanto ai centrioli. Prima che la cellula possa entrare nuovamente in mitosi , in una fase del ciclo cellulare chiamato S che precede la mitosi, verrà replicato il DNA e verranno anche replicati i centrioli. In questo modo quando avrà inizio la profase della nuova divisione i cromosomi appariranno nuovamente formati da cromatidi fratelli. Durante quest’ultima fase della divisione mitotica , avviene la Citodieresi,che consiste nel completare la formazione dei due nuclei e nel dividere anche il citoplasma, grazie alla formazione della membrana cellulare che porta alla formazione delle due cellule figlie

COME E’ FATTO UN MICROSCOPIO…?!? Alle ore 10:15 dopo aver terminato il nostro esperimento sulla simulazione del comportamento dei cromosomi durante la mitosi, le dottoresse ci hanno spiegato come usare un microscopio descrivendolo parte per parte. OCULARE BRACCIO OBBIETTIVO TAVOLINO TRASLATORE TAVOLINO PORTAPREPARATI RONDELLA MACROMETRICA è la  manopola di regolazione della messa a fuoco. LUCE DA SOTTO

LE DIVERSE FASI DELLA MITOSI VISTE AL MICROSCOPIO… Dopo aver svolto queste operazioni preparatorie al buon utilizzo del microscopio, le dottoresse ci hanno diviso in due gruppi che in fine avrebbero dovuto svolgere l’uno il lavoro dell’altro. Mentre il primo gruppo aveva il compito di osservare al microscopio diversi campioni di tessuti vegetali e animali e di riconoscere le diverse fasi della mitosi; l’altro gruppo insieme ad una delle dottoresse utilizzava il microscopio digitale al computer su cui era più semplice individuare le diverse fasi della mitosi. Il mio gruppo aveva il compito di analizzare il tessuto di una radice di cipolla, ottima per l’osservazione delle diverse fasi della mitosi in quanto essendo in continua proliferazione per l’accrescimento della sua radice che va in cerca dell’acqua, moltiplica le sue cellule di continuo. Mentre il gruppo guardava affascinato i campioni che ci erano stati forniti, una delle dottoresse ci ha informato che l’ osservazione delle diverse fasi della mitosi è possibile solo grazie ad una sostanza colorata che si lega alle parti acide, ovvero al DNA. METAFASE PROFASE ANAFASE TELOFASE

LA MEIOSI Alle 10:45 le dottoresse dopo aver riassunto il comportamento della cellula durante la mitosi che porta alla formazioni di gameti aploidi, ovvero le cellule con patrimonio genetico dimezzato, alle 10:50 hanno mostrato alla classe un video in cui venivano indicate, le diverse fasi della meiosi. La maggior parte degli organismi eucarioti pluricellulari si riproduce per via sessuata, cioè per mezzo di gamèti (mentre il gamete femminile viene chiamato cellula ovocita, il gamete maschile viene chiamato spermatozoo). La fusione dei gameti, detta anche fecondazione, dà origine a una nuova cellula dalla quale si svilupperà l'intero organismo. I gameti sono prodotti attraverso il meccanismo di divisione del nucleo cellulare chiamato meiosi. Questo processo è costituito da due divisioni cellulari che avvengono in sequenza, quindi alla fine del processo avremo 4 gameti costituiti tutti da un solo cromosoma in rappresentanza di ciascuna delle coppie di omologhi che erano presenti nella cellula di partenza. In seguito alla fecondazione ovvero in seguito alla fusione dei gameti, la cellula avrà nuovamente due cromosomi omologhi per ciascuna coppia, uno dei quali è stato trasmesso dal padre tramite lo spermatozoo, l’altro dalla madre tramite l’ovulo.

Per rappresentare tutto ciò, ovvero il comportamento dei cromosomi durante la meiosi, abbiamo usufruito dei materiali che le dottoresse ci avevano fornito nell’ora precedente ed all’interno del gruppo ci siamo divisi i compiti per lavorare ognuno con una coppia di cromosomi omologhi. Mentre io e Angela ci siamo occupate di costruire due cromosomi omologhi, formati ognuno da due cromatidi fratelli ,ovvero l’unione di due cromatidi della stesso colore (rosso) legati tra loro da due centromeri; Antonio e Marianna hanno costruito gli altri due cromosomi di colore giallo. Successivamente abbiamo simulato “L’INTERFASE” in cui il materiale genetico di una cellula, che ancora non si sta dividendo,si trova all’interno del nucleo, un organello cellulare circondato da una membrana porosa. Quindi per poter rappresentare il nucleo, abbiamo inserito i quattro cromosomi all’interno di un sacchetto di plastica (che simboleggia la membrana cellulare) e abbiamo messo il sacchetto al centro del nostro tavolo di lavoro posizionando i due centrioli vicino al nucleo perpendicolarmente l’uno rispetto all’altro.

Per rappresentare “LA PROFASE” che avviene all’interno dell’involucro nucleare, per poter operare, abbiamo rimosso i cromosomi dal sacchetto e li abbiamo posti al centro del tavolo riavvolgendoli l’uno sull’altro. Durante questa fase i cromosomi possono scambiarsi dei segmenti, questo processo viene chiamato ricombinazione genetica o CROSSING OVER . Per simulare il CROSSING OVER abbiamo staccato un tratto di cromosoma di uguale lunghezza (4 palline per ciascun cromosoma) da ciascun cromosoma e li abbiamo scambiati. Successivamente abbiamo separato i cromosomi per osservare la distribuzione di geni che avevamo ottenuto . Sempre durante questa fase i centrioli, separandosi l’uno dall’altro e spostandosi ai poli opposti della cellula, si uniscono con un sistema di microtubuli formando l’aster e ciascuna coppia di cromosomi appare diviso per lungo in due cromatidi fratelli che sono uniti tra loro da una struttura chiamata centromero. In seguito abbiamo separato i quattro cromatidi appaiati ponendoli ad una distanza di circa 50 cm da ciascun lato del nucleo sulla stessa retta e con il lato lungo parallelo alla diagonale del nucleo; abbiamo estratto i cromosomi dal sacchetto di plastica (che sarebbe dovuta disperdere in frammenti) e formato un anello ad un estremo di ciascuno filo. In un secondo momento abbiamo utilizzato questo anello per formare un cappio attorno ai centromeri dei due cromatidi appaiati di ciascun cromosoma e infine abbiamo disteso il filo che lega i centromeri delle due coppie di cromatidi fratelli verso i centrioli ai due poli opposti facendo passare il filo attraverso la loro cavità interna.

Per rappresentare la fase della meiosi chiamata “METAFASE I”in cui la membrana cellulare si dissolve ed i microtubuli che si irradiano dai centromeri si connettono con i centrioli che trasportano le coppie di cromosomi all’equatore della cellula; abbiamo tirato leggermente i fili in modo da portare i cromosomi nel punto di mezzo fra i due centrioli. Per rappresentare “L’ANAFASE I ” fase della meiosi in cui le coppie di cromatidi appaiati si separano l’uno dall’altro ed iniziano a muoversi in direzione opposta,abbiamo tirato i fili in modo da separare i cromosomi, trascinandoli verso i due centrioli opposti. Infine per simulare “LA TELOFASE I”in cui le coppie di cromosomi aploidi ,in cui è presente un solo cromosoma per ciascun tipo, hanno raggiunto i poli opposti del fuso,che comincia a disperdersi e il citoplasma delle due cellule si ripartisce, facendo avvenire la citodieresi, ossia la vera e propria divisione della cellula originaria in due cellule figlie distinte ; abbiamo rimosso i fili e abbiamo riavvolto le coppie di cromosomi insieme accanto ai centrioli. Di conseguenza,come abbiamo già detto, vi è la formazione di due cellule con un numero di cromosomi dimezzato .

Ha così termine la prima divisione meiotica. La seconda divisione meiotica ha inizio con “LA PROFASE II” che è un processo molto breve in quanto i cromosomi prodotti dalla telofase I non si sono interamente despiralizzati e sono già pronti per muoversi lungo le fibre del fuso. In questa fase scompare l’involucro nucleare che si era prodotto nel corso della telofase I. Il mio gruppo,dopo aver separato i due centrioli e tolto il sacchetto, che simboleggia la membrana nucleare, preso un filo e formato un anello ad un estremo di ciascuno filo, abbiamo utilizzato questo anello per formare un cappio attorno a centromeri di ciascun cromatide e abbiamo disteso i fili in due direzioni opposte, verso i centrioli. Nella “METAFESE II” ognuna delle due cellule figlie organizza un apparato del fuso al quale aderiscono i centromeri che si allineano sul piano equatoriale del fuso di seconda divisione. Per simulare ciò abbiamo tirato leggermente i fili in modo da portare i cromatidi al centro tra i due centrioli.

Alla fine del processo meiotico avremo ottenuto 4 gameti aploidi. Durante” L’ANAFASE II” i cromatidi fratelli si separano l’uno dall’altro ed iniziano a muoversi in direzione opposta, ciascuno verso uno dei due centrioli. I cromatidi ormai separati vengono ora considerati cromosomi a tutti gli effetti. Per riprodurre ciò abbiamo tirato i fili in modo da separare i cromosomi, trascinandoli verso i due centrioli opposti. Nella “TELOFASE II” ai poli opposti della cellula si cominciano a formare i nuclei e avviene la citodieresi, con la conseguente scissione cellulare e i microtubuli del fuso scompaiono. I 4 nuclei che si sono formati in seguito alla telofase II avranno un numero aploide di cromosomi. Per simulare questa fase della meiosi abbiamo rimosso i fili e abbiamo riavvolto le coppie di cromosomi insieme accanto ai centrioli. IL DNA SI RADDOPPIA 1n 2n 4n Alla fine del processo meiotico avremo ottenuto 4 gameti aploidi.

ABBERAZIONI CROMOSOMICHE Alle 12:15 abbiamo terminato la simulazione del comportamento dei cromosomi durante la meiosi e siamo tornati a simulare la PROFASE della prima divisione meiotica nel momento in cui avviene il CROSSING OVER. E’ questo il momento in cui si possono determinare le anomalie degli assetti cromosomici che portano ai processi di DELEZIONE, TRASLOCAZIONE, INVERSIONE e LE TRISOMIE O MONOSOMIE. Durante IL CROSSING OVER può capitare che avvenga un’ aberrazione chiamata DELEZIONE che consiste nella perdita di un tratto di un cromosoma, con conseguente perdita di materiale genetico. Durante questa fase può verificarsi la perdita di geni essenziali per la sopravvivenza e in questo caso il gamete che lo riceverà non sopravvivrà; se invece riesce a sopravvivere lo zigote che si formerà con questo gamete malformato mancherà di alcuni geni che saranno, al contrario, presenti solo nel cromosoma portato allo zigote dall’altro gemete. In un altro gamete, invece, andrà a finire il cromosoma della stessa coppia che in questo modo è diventato più lungo. Per simulare una delezione abbiamo staccato un tratto di geni del cromosoma (prendendo 4 palline che rappresentavano i geni) e l’abbiamo attaccato in un altro gamete. In questo modo abbiamo ottenuto una coppia di cromosomi che presentava un gamete più corto ed un’altra coppia che presentava un gamete più lungo.

Se ,invece, il CROSSING OVER avviene tra cromosomi non-omologhi, si verificherà uno spostamento di geni da un cromosoma ad un altro chiamato TRASLOCAZIONE. Per simularlo abbiamo spostato alcune palline che indicano geni da un cromosoma del nostro gruppo di lavoro ad un cromosoma di un altro gruppo. Mentre il mio gruppo ha ottenuto un cromosoma normale ed uno più corto; il cromosoma dell’altro gruppo a cui abbiamo ceduto i geni, era diventato più lungo del suo omologo normale. Se durante il CROSSING OVER nel momento in cui un cromosoma è ripiegato su se stesso può succedere che la ricombinazione avvenga scambiando la posizione dei geni, questo fenomeno prende il nome di INVERSIONE. Per simulare questo fenomeno abbiamo marcato alcuni geni di un cromatide con delle piccole etichette sulle quali abbiamo scritto delle lettere (A,B,C,D) .

Può succedere,talvolta, durante la metafase I che i cromosomi omologhi non si separino ma vengono trascinati entrambi verso uno dei poli. Abbiamo simboleggiato questo evento ripercorrendo le tappe della prima divisione meiotica e rompendo il filo che lega il centromero di uno degli omologhi appaiati ad un polo del fuso. Di conseguenza i due cromosomi verranno trascinati assieme verso il polo che è rimasto attaccato al centromero. Proseguendo con le altre fasi della meiosi ci siamo accorti che dopo la seconda divisione meiotica due gameti su 4 si troveranno ad avere un cromosoma in più e gli altri 2 a non avere nessun cromosoma che rappresenti quella coppia di cromosomi omologhi. Se la fecondazione avviene con un gamete che ha un cromosoma in più si formerà uno zigote che ha 3 cromosomi omologhi di quella coppia e si avrà una TRISOMIA (l’esempio più frequente è il caso della trisomia 21). Se invece dovesse essere usato un gamete che ha perso entrambi gli omologhi, si avrà uno zigote con un solo rappresentante di quella coppia di omologhi e si avrà un fenomeno chiamato MONOSOMIA e in questo caso è più raro che lo zigote sopravviva. TRISOMIA MONOSOMIA

Alle 12:30 le dottoresse hanno fornito ad ognuno di noi delle buste contenente dei geni. Il nostro ultimo esperimento consisteva nel compiere il lavoro di un genetista ricostruendo un cariotipo umano. Un cariotipo è una rappresentazione ordinata di un corredo cromosomico di un particolare organismo. CARIOTIPO Per allestire un cariotipo si interrompe il processo di divisione cellulare alla metafase mediante l’aggiunta di colchicina, un farmaco che arresta le successive fasi della mitosi interferendo con i microtubuli del fuso, facendo esplodere la cellula che lascia fuoriuscire i cromosomi in modo isolato. Dopo la colorazione i cromosomi vengono fotografati, ingranditi e ritagliati per dare inizio al processo che prevede che i cromosomi della stessa lunghezza vengano appaiati . Al termine dell’esperimento, io ho ottenuto il cariotipo di un individuo maschio sano.

LE MIE CONSIDERAZIONI Penso che quest’esperienza mi sia servita non solo per accrescere il mio bagaglio culturale, ma anche perché ho avuto modo di avere maggiore conoscenza di quei fenomeni che avvengono all’interno del nostro micromondo. In particolare ho trovato interessante e molto utile gli esperimenti eseguiti durante il corso,in quanto ci hanno aiutato a comprendere il comportamento dei cromosomi, facendoci vivere in prima persona, ciò che avviene all’interno del nostro corpo, spesso a nostra insaputa. Ho trovato tutto ciò molto affascinante, soprattutto nel momento in cui abbiamo svolto il lavoro dei genetisti. L’esperienza sperimentata , durante la mia partecipazione al corso di biologia, vorrei tanto si potesse ripetere in quanto ne sono rimasta profondamente colpita. Con l’occasione vorrei ringraziare in modo particolare le dottoresse che con pazienza e dedizione ci hanno spiegato passo per passo le diverse fasi della meiosi e della mitosi.