22 - Unibas

LA FASE M DEL CICLO CELLULARE
La fase M del ciclo
cellulare comprende
mitosi e citochinesi ed
è innescata da M-CdK
(chinasi ciclinadipendente di fase M)
e da M-ciclina.
MITOSI
Struttura del citoscheletro durante la
fase M
1)  Duplicazione del centrosoma (con i centrioli);
2) formazione del fuso mitotico;
3) formazione dell’anello contrattile
Comprende numerosi
e spettacolari eventi
cellulari.
Ciclo del centrosoma
•  Il centrosoma si duplica durante la fase
S.
CARIOTIPO UMANO (2N)
CROMOSOMI OMOLOGHI: SONO DIVERSI, UNO DI
DERIVAZIONE MATERNA, UNO DI DERIVAZIONE PATERNA
1M
1P
•  Si separa all’inizio della fase M e
organizza il fuso mitotico.
•  Ciascuna cellula poi riceve un solo
centrosoma.
1
1M
1P
1M
1P
1M
1P
1M
1P
1P
1M
La mitosi
produce due
cellule
geneticamente
identiche alla
cellula madre
1M
1P
1P
1M
La mitosi comprende
5 stadi:
Profase, Prometafase, Metafase,
Anafase e Telofase e si conclude
con la divisione citoplasmatica
detta citochinesi. I 5 stadi si
succedono temporalmente l’uno
all’altro. La citochinesi invece
inizia già nella tarda anafase.
PROFASE
I cromosomi sono così fortemente condensati da
poter essere osservati al microscopio ottico e con i
due cromatidi fratelli indistinguibili. Tutte le attività
cellulari (compresa la sintesi proteica) vengono
ridotte al minimo. Avviene la disgregazione del
nucleolo.
Il centrosoma, regione costituita da materiale
amorfo contenente una coppia di cetrioli, costituisce
il centro organizzatore dei microtubuli (MTOC) e
comincia a dividersi formando due aster (stelle) che
si allontanano sempre più verso i poli opposti della
cellula a formare il fuso primario astrale. Il fuso può
contenere da dieci a diverse migliaia di microtubuli.
2
Fuso mitotico
Durante la profase i
microtubuli formano il fuso
mitotico ma hanno una grande
instabilità dinamica.
Esiste (ad es. nelle cellule vegetali)
anche un fuso anastrale che è privo sia
di aster che di centrioli.
I microtubuli di un aster si
stabilizzano quando
incontrano quelli dell’aster
opposto e grazie a proteine
associate ai microtubuli
(MAP).
Si formano i microtubuli
interpolari ed i poli del fuso.
PROMETAFASE
La prometafase ha inizio con il dissolvimento
dell’involucro nucleare che si frantuma in
vescicole membranose che si dispongono in
maniera invisibile attorno al fuso. Ciò avviene per
fosforilazione di alcune proteine della membrana
nucleare (lamine nucleari).
All’inizio della fase M i due cromatidi fratelli sono
appaiati ed uniti dai centromeri i quali sviluppano
dei complessi proteici chiamati cinetocori che
portano legati da 20 a 40 microtubuli chiamati
microtubuli del cinetocore.
Una volta che è stato eliminato
l’ostacolo della membrana nucleare, i
microtubuli possono entrare all’interno
del nucleo andando ad agganciare i
cromatidi fratelli di ciascun cromosoma
al complesso proteico del cinetocore
diventando microtubuli del cinetocore
per distinguerli dagli altri microtubuli
del fuso detti microtubuli interpolari,
mentre quelli esterni al fuso sono detti
microtubuli astrali.
3
METAFASE
L’azione dei microtubuli (allungamento e
accorciamento), all’equilibrio permette il perfetto
allineamento dei cromosomi a formare la piastra
metafasica, al punto che l’ipotetica linea
dell’equatore passa al centro dei cromosomi con un
cromatidio in un emisfero e il cromatidio fratello
nell’altro.
La metafase é un periodo mitotico piuttosto lungo
probabilmente perché occorre del tempo per
l’allineamento dei cromosomi sulla piastra
metafasica.
Se si aggiungono dei farmaci depolimerizzanti i
microtubuli come la colchicina e la vinblastina la
mitosi si arresta.
ANAFASE
All’anafase i cromatidi fratelli con ognuno un
cinetocore si separano verso i poli opposti del fuso.
I cromatidi di ciascun cromosoma cominciano a
separarsi dirigendosi ognuno verso il proprio polo;
operazione che si completa alla tarda anafase.
Il movimento dei cromatidi verso il polo é
accompagnato dall’accorciamento dei
microtubuli del cinetocore e questo periodo
é n o t o c o m e A n a f a s e
A e
dall’allontanamento dei due poli del
fuso, Anafase B. Queste due anafasi possono
essere distinte con i farmaci: ad es. l’idrossido di
cloralio impedisce l’anafase B cioè l’allungamento
dei microtubuli ma non ha effetto sull’anafase A.
4
crescita +
scorrimento
trazione verso il cortex
cellulare
IL CICLO CELLULARE RAGGIUNGE IL
CULMINE CON LA SEPARAZIONE DEI
CROMATIDI FRATELLI (DURANTE LA
FASE M, TRANSIZIONE METAFASEANAFASE).
M-CDK PROMUOVE LA FASE M MA UN
ALTRO COMPLESSO DETTO APC
(COMPLESSO CHE PROMUOVE
L’ANAFASE) FA SCATTARE
L’INTERRUTTORE CHE INIZIA LA
SEPARAZIONE DEI CROMATIDI
FRATELLI.
APC HA FUNZIONE DI UBIQUITINA
LIGASI
Bersaglio di APC è la proteina
SECURINA. Prima della
separazione dei cromatidi fratelli,
la securina si lega, inibendola, ad
una proteasi detta SEPARASI.
La distruzione della securina, alla
fine della metafase, rilascia la
separasi che è allora libera di
tagliare una delle subunità del
complesso delle COESINE
securina
separasi
5
TELOFASE
Terminata l’anafase cioè la migrazione di
tutti i cromatidi verso il proprio polo, i
microtubuli del cinetocore scompaiono,
cominciano a riapparire i nucleoli e a
ricostituirsi, per defosforilazione delle
lamine che avevano provocato la
disgregazione dell’involucro nucleare, i due
nuclei figli.
Successivamente il nucleo si espande ed i
cromosomi si decondensano. Riprende la
trascrizione.
Divisione degli organuli
Per quanto riguarda i mitocondri e i
cloroplasti, essi devono replicare il loro
DNA nell’interfase per poi dividersi in due
mediante la formazione di un solco.
Il Reticolo Endoplasmatico e l’Apparato
Golgi si frammentano in seguito
rimaneggiamento dei microtubuli
restando attaccati ad essi sotto forma
piccole vescicole, si distribuiscono tra
due cellule.
di
al
e
di
le
CITOCHINESI
La citochinesi inizia nell’anafase e continua
nella telofase fino all’interfase.
Nella parte mediana della cellula viene a
formarsi, per mezzo di un anello contrattile
costituito da filamenti di actina (e miosina), un
solco di scissione.
L’anello contrattile scompare completamente
alla fine della divisione cellulare; la sua
scomparsa fa sì che il solco di scissione della
membrana plasmatica si stringa attorno al
corpo intermedio, che diventa sempre più
sottile (come un cordone) fino a spezzarsi e a
dar luogo a due cellule figlie.
6
MITOSI NELLE CELLULE
VEGETALI
Nelle cellule vegetali, la citochinesi avviene per
formazione di una nuova parete cellulare tra le due
cellule. L’aggregazione è guidata dal fragmoplasto
composto da residui dei microtubuli interpolari a cui si
legano vescicole derivanti dal Golgi piene di
componenti della parete cellulare.
1M
1P
1M
1P
1M
1P
1M
1M
1P
1P
1M
1P
1P
1M
La mitosi produce due
cellule geneticamente
identiche alla cellula madre
RIPRODUZIONE
La riproduzione permette il trasferimento
del materiale genetico a nuovi individui
assicurando la continuazione della Specie:
gruppo di organismi con struttura, funzione
e comportamento simili; prole feconda
LA RIPRODUZIONE può
essere:
ASESSUATA E SESSUATA
ma può avvenire anche per
PARTENOGENESI
RIPRODUZIONE ASESSUATA
Genera organismi geneticamente identici a chi li
ha generati.
Negli organismi unicellulari essa equivale alla
divisione cellulare dove la cellula figlia contiene
lo stesso patrimonio genetico della cellula
parentale perché prima di dividersi si é
duplicata esattamente in due.
I procarioti (alghe azzurre e batteri)
contengono un solo cromosoma circolare con
una sola molecola di DNA che si duplica prima
della divisione.
Negli eucarioti unicellulari (protisti, alghe e
alcuni lieviti) la divisione cellulare é preceduta
dalla mitosi.
7
RIPRODUZIONE ASESSUATA:
1. SCISSIONE BINARIA
Si riproducono
asessualmente gli
organismi
unicellulari ma
anche alcune
specie di
pluricellulari.
Molti ORGANISMI viventi sono DIPLOIDI
(2n) cioè hanno un doppio corredo
cromosomico, due cromosomi per ogni
tipo, uno di origine materna e uno di
origine paterna. Nell’uomo il numero
diploide di cromosomi è 46, il numero
aploide 23.
Le due versioni parentali dello stesso
cromosoma non sono identiche, quindi le
due versioni di ogni cromosoma sono
dette CROMOSOMI OMOLOGHI.
Se ogni gamete avesse lo stesso
numero di cromosomi delle cellule del
genitore che lo produce, allora lo
zigote avrebbe un numero doppio di
cromosomi e questo raddoppiamento
avverrebbe ad ogni generazione.
RIPRODUZIONE SESSUATA
E’ quella che origina dalla fusione di
due cellule sessuali diverse o
GAMETI prodotti da due genitori di
sesso diverso. I due gameti che si
fondono (FECONDAZIONE) formano
la prima cellula di un nuovo
organismo:
LO ZIGOTE.
Solo nell’ermafroditismo lo stesso
individuo produce sia il gamete
maschile che quello femminile.
La FECONDAZIONE può essere
ESTERNA (pesci, anfibi) o INTERNA
(rettili, uccelli e mammiferi).
In una cellula diploide i due cromosomi sono
omologhi cioè pur non essendo identici (in
quanto i geni omologhi possono essere diversi
nelle loro sequenze nucleotidiche),
contengono la stessa sequenza di geni.
DUE FORME DELLO STESSO GENE (che
differiscono per una o più mutazioni) si
chiamano ALLELI.
Gli alleli producono proteine che possono
differire per uno o più aminoacidi.
Molti altri ORGANISMI sono invece APLOIDI
(1n).
CON UN PROCESSO DETTO
Meiosi
(dal greco meiosis, diminuzione).
Con quale sistema gli organismi
viventi evitano di produrre zigoti
con un numero sempre crescente
di cromosomi?
La Meiosi è il processo per mezzo del quale
le cellule germinali si dividono dimezzando
il loro corredo cromosomico.
8
La RIPORDUZIONE SESSUATA avviene
tramite la FUSIONE DI DUE CELLULE
APLOIDI cioè aventi un corredo
cromosomico dimezzato (in seguito alla
meiosi) dette GAMETI.
Negli animali uno è grande e immobile
(cellula uovo) ed uno piccolo e mobile
(spermatozoo).
Dalla fusione di due cellule aploidi, per
fecondazione, si ottiene un organismo
diploide.
Successivamente, un discendente di
questa cellula diploide si divide
producendo nuove cellule aploidi e così
via mediante la meiosi.
La RIPRODUZIONE SESSUATA comprende
quindi, due eventi fondamentali: LA
MEIOSI e LA FECONDAZIONE. Il ciclo
della vita sessuata comporta quindi
l’alternanza fra generazioni di cellule
aploidi e cellule diploidi.
Possiamo distinguere le CELLULE ANIMALI in
cellule SOMATICHE e cellule GERMINALI.
Le cellule somatiche (2n) sono la quasi totalità
delle cellule di un organismo.
Le cellule germinali sono quelle che
mediante MEIOSI daranno origine ai
gameti aploidi
Meiosi
1A
1B
1A
1A
1B
1A
1A
1A
Avvengono due divisioni successive ad un unico
evento di duplicazione del DNA.
Prima e seconda divisione meiotica:
I cromosomi omologhi vengono duplicati e si
presentano come cromatidi fratelli congiunti, per cui
per produrre i gameti aploidi occorrono due divisioni
nucleari.
Da ogni cellula diploide si ottengono due cellule figlie
diploidi (Ia divis. meiotica) e da ognuna di queste si
ottengono due cellule aploidi (IIa divis. meiotica).
A differenza della Mitosi dove la divisione
porta alla formazione di due cellule diploidi,
ogni cellula diploide che va in meiosi produce
quattro cellule aploidi.
9
MEIOSI I
Crossing-over dei cromosomi
I geni provenienti dal padre e dalla madre
vengono rimescolati con la ridistribuzione a
caso degli omologhi materni e paterni nelle
cellule figlie al momento della I meiosi cosicché
ogni figlio é diverso dai genitori e dagli altri figli
perché acquisisce una miscela diversa di
cromosomi materni e paterni.
Inoltre, DURANTE LA PROFASE della I divisione
meiotica parti di cromosomi omologhi si
scambiano di posto dando cioè luogo a quello
che si chiama RICOMBINAZIONE O CROSSINGOVER.
Si ha la formazione di un Chiasma cioè uno scambio a filamenti
incrociati tra due eliche di DNA omologhe, però di cromatidi non
fratelli:
Nell’uomo se ne osservano 2-3 per ogni bivalente.
Metafase in Mitosi
E’ tipico della meiosi
l’appaiamento tra i cromosomi
omologhi duplicati.
Metafase in Meiosi I
bivalente o tetrade
meiosiI,profaseI
•  Leptotene
–  icromosomisirendonovisibili
•  Zygotene
–  lecoppiedicromosomiomologhiformanoletetradi
•  Pachitene
–  crossingover
•  Diplotene
–  icromosomiinizianoasepararsimasonotenu=insiemedai
chiasmi
•  Diacinesi
–  ulterioreaccorciamentodeicromosomiomologhi
Con questa operazione i geni
ereditati dai due genitori si
combinano dando luogo ad un
cromosoma che non è esattamente
uguale a quello della madre e del
padre, ma costituisce una
importante causa di variabilità
genetica.
Si può parlare di crossing-over solo
quando lo scambio avviene tra
cromatidi non fratelli di cromosomi
omologhi.
Il processo di appaiamento dei due
cromosomi omologhi costituisce la
SINAPSI che avviene grazie a
proteine che mantengono allineati i
4 cromatidi del bivalente: il
complesso sinaptinemale. Questo
allinea il filamento di DNA di un
omologo con il corrispondente
filamento dell'altro per il crossingover in modo che i geni vengano a
trovarsi in corrispondenza.
2) METAFASE I
Si disperde la membrana nucleare e
i microtubuli formano il fuso come nella
Mitosi, con la differenza che nella
Metafase Mitotica i microtubuli
agganciano i cinetocori di entrambe le
facce del centromero, mentre nella
Metafase Meiotica i microtubuli possono
agganciare solo i cinetocori delle facce
esterne del centromero dei 2 omologhi.
10
METAFASE MITOSI
I chiasmi contribuiscono a tenere allineati gli omologhi
materni e paterni fino all’anafase I. Le coesine vengono
degradate ma non quelle centromeriche.
3) ANAFASE I
Avvenuto l'allineamento dei 2 omologhi
all'equatore i microtubuli cominciano ad accorciarsi
tirando i cinetocori (con i due cromosomi) verso i poli
opposti. Ogni cinetocore é tirato solo da un polo (e non
da entrambi come nella mitosi) per cui esso arriva
integro al polo portando con sè i due cromatidi fratelli.
L'allineamento all'equatore
dei due omologhi é casuale per
cui é casuale quale dei due
cromosomi vada verso un polo o
verso l'altro provocando, come
conseguenza, l'assortimento
i n d i p e n d e n t e d e l l e
caratteristiche genetiche portate
sui diversi cromosomi. Il numero
delle combinazioni possibili é
uguale a 2 elevato alla potenza
del numero di paia di cromosomi.
Se ad es. si allineano tre paia di
cromosomi (cellula ipotetica) si
possono ottenere 23=8 gameti
differenti.
ANAFASE MITOSI: migra 1
cromatidio fratello verso ciascun polo
4) TELOFASE I
Terminata l'anafase I ogni polo della
cellula contiene un intero set (46) cromosomi,
cioé una copia di ciascun paio di omologhi
formato da due cromatidi fratelli non più
identici (a causa del crossing-over) uniti da un
comune centromero.
Questo stadio, in cui i due set sono
separati ai rispettivi poli e cominciano a
decondensarsi, si chiama Telofase I e può
essere seguita o meno dalla CITOCHINESI e
dopo un intervallo di tempo molto variabile
dalla MEIOSI II.
11
MEIOSI II
La II divisione meiotica é una divisione mitotica non
preceduta però dalla duplicazione dei cromosomi.
Per entrare in Meiosi II i cromosomi si ricondensano, le
fibre del fuso di ciascun polo si legano ai cinetocori di
ciascun lato del centromero (Profase II), dopo
allineamento (Metafase II) i due cromatidi vengono
separati e tirati verso i poli opposti (Anafase II). I
nuclei si riorganizzano, si riforma la membrana
nucleare attorno ai 4 set di cromosomi fatto ciascuno
di 23 cromosomi. Si ottengono quindi, di 4 cellule
(gameti) aploidi.
Essi possono funzionare direttamente come gameti
negli animali o si possono dividere per mitosi come
avviene nelle piante, nei funghi e in molti protisti.
MEIOSI E VARIABILITA’ GENETICA
La riproduzione sessuata ha il grande vantaggio dell’evoluzione
della specie perchè aumenta la variabilità genetica con i
seguenti meccanismi:
Vengono degradate anche le coesine centromeriche
MEIOSI E VARIABILITA’ GENETICA
·assortimento indipendente dei cromosomi omologhi
nella I divisione meiotica;
·ricombinazione o crossing-over tra cromosomi omologhi
(che avviene solo nella Profase della I divisione
meiotica);
·casualità della fecondazione di una cellula uovo da parte
di uno spermatozoo.
223=8.4 x 106
I tre meccanismi contribuiscono a mescolare i geni degli
individui di una popolazione, ma sono le mutazioni che creano
la base per diversità genica di una popolazione.
Dalla segregazione indipendente di 23 paia di cromosomi si
possono ottenere 223 = 8 milioni di gameti; alla fecondazione: 8
milioni x 8 milioni = 64 trilioni; aggiungendovi anche il
crossing-over le possibilità sono pressoché illimitate!
MITOSI E MEIOSI
Alcune differenze tra MITOSI E MEIOSI
Nella meiosi I
si separano i
cromosomi
omologhi
Nella meiosi II
si separano i
cromatidi
fratelli
12