IL CICLO CELLULARE

IL CICLO CELLULARE
Il ciclo cellulare, o ciclo di divisione cellulare (CDC), è la serie di eventi che
avvengono in una cellula tra una divisione cellulare e quella successiva.
La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle
condizioni di crescita.
E’ un processo geneticamente controllato, costituito da una serie di eventi coordinati e
dipendenti tra loro, dai quali dipende la corretta proliferazione delle cellule.
Gli eventi molecolari che controllano il ciclo cellulare sono ordinati e direzionali: ogni
processo è la diretta conseguenza dell'evento precedente ed è la causa di quello
successivo.
Ė caratterizzato da cinque fasi: G1,S,G2, mitosi e citodieresi
Affinché l’informazione genetica venga correttamente trasmessa dalla cellula madre
alle cellule figlie, il genoma deve essere prima duplicato durante il periodo di tempo
denominato fase S e in seguito i cromosomi vengono segregati nelle due cellule figlie
durante la fase M.
La fase M è a sua volta composta da due processi, strettamente collegati: la mitosi,
durante la quale i cromosomi della cellula sono divisi tra le due cellule figlie e la
citodieresi, che comporta la divisione fisica del citoplasma della cellula.
Il centromero non occupa la stessa posizione in tutti i cromosomi e divide ogni cromatide in
due parti, i bracci, la cui lunghezza dipende dalla posizione del cinetocore. La posizione
del centromero permette di classificare i cromosomi in 4 tipi:
acrocentrici: centromero in posizione terminale.
telocentrici: centromero in posizione subterminale.
submetacentrici: centromero in posizione submediana.
metacentrici: centromero in posizione mediana.
Il cinetocore è una componente del centromero. Di solito
per ogni centromero abbiamo 2 cinetocori, un cinetocore
per ogni cromatidio.
Il ruolo dei cinetocori è quello di agganciarsi ai microtubuli
del fuso mitotico durante la divisione cellulare. In questo
modo i cromosomi vengono allineati correttamente
all'equatore del fuso, e successivamente grazie alla
trazione dei microtubuli, che si accorciano i cromatidi
fratelli vengono separati e trascinati ai due poli opposti
della cellula.
Sono collocati sulla parte esterna di ciascun cromatidio e
sono costituiti da tre strati proteici.
CARIOTIPO
Ogni specie ha un determinato
numero di cromosomi e
caratteristiche morfologiche
peculiari
I cromosomi sono classificati in
ordine decrescente, dai più
grandi ai più piccoli, secondo
uno schema standardizzato
CROMOSOMI
•Costituiti da un filamento a doppia elica di DNA e da proteine
•i cromosomi sono spesso presenti in coppie. Le cellule che hanno coppie di cromosomi
omologhi (simili) sono dette diploidi (2n), mentre sono definite aploidi (n) quelle che possiedono
solo un cromosoma per tipo.
•I cromosomi omologhi contengono lo stesso tipo di informazione (variazioni di uno stesso
carattere)
•Nell'uomo si hanno 23 coppie di cromosomi, di cui 22 sono cromosomi somatici non sessuali
ed una coppia di cromosomi diversi, i cromosomi sessuali
Una cellula si definisce aploide se presenta un unico assetto cromosomico, ovvero possiede
un solo cromosoma per ogni tipo.
Una cellula aploide si differenzia da una cellula diploide in quanto questa ha due patrimoni
genetici, ereditati solitamente dal padre e dalla madre. Per tale motivo, mentre per indicare
una cellula diploide si usa usare la notazione 2n, per indicare una cellula aploide si usa n.
INTERFASE (attività metabolica)
CICLO CELLULARE
MITOSI (divisione)
CITODIERESI (divisione citoplasma)
Le cellule che non si
dividono escono dal ciclo
e rimangono bloccate
nella fase G1 (G0 )
Punti di controllo
Il ciclo cellulare è un processo estremamente importante; errori in questo processo potrebbero
compromettere la vitalità cellulare. Per tale motivo, nel ciclo cellulare, sono presenti dei punti di
controllo o checkpoints, localizzati a livello delle transizioni G1/S e G2/M.
G1 fra la fine della mitosi e l’inizio della fase S
G2 fra il termine della fase S e l’inizio della fase M.
In questi periodi di tempo si ha la maggior parte della sintesi proteica con conseguente aumento
della massa cellulare e la realizzazione dei controlli che impediscono l’inizio della fase successiva
se non è stata completata quella precedente.
G1 phase (G = gap): la cellula monitora le sue dimensioni e
l’ambiente esterno e cresce sintetizzando RNA e proteine
S (S = synthesis): replicazione del materiale genetico. Il
DNA passa da 2n a 4n.
G2: controllo dell’avvenuta replicazione di tutti i cromosomi
e una crescita secondaria prima della mitosi. In questa fase
il DNA ha un corredo 4n.
M (M = Mitosis): si compone di profase, metafase, anafase e telofase e citochinesi
Alcuni tipi cellulari non si dividono più (cellule terminalmente differenziate), sono usciti
irreversibilmente dal ciclo cellulare, altre cellule entrano in uno stato di quiescienza chiamato G0 e
possono essere stimolate a lasciare G0 e a rientrare nel ciclo cellulare.
Le cellule nervose e quelle striate dei muscoli scheletrici, ad esempio, rimangono in questo stadio per
tutta la vita dell'organismo.
La lunghezza di G1 riflette il fatto che le cellule per lo più richiedono più tempo per crescere e
raddoppiare la massa di proteine e organelli che per duplicare il DNA e dividersi.
Se le condizioni extracellulari sono sfavorevoli, per esempio, la cellula ritarda la progressione in G1
e può entrare in G0.
Le cellule che non vanno più incontro a divisione in seguito ad invecchiamento o a danneggiamento
del DNA sono invece chiamate senescenti.
MITOSI
PROCESSO DI DIVISIONE CELLULARE CHE GARANTISCE LA CONSERVAZIONE E LA
DISTRIBUZIONE DELLO STESSO NUMERO DI CROMOSOMI DA UNA CELLULA MADRE ALLE DUE
CELLULE FIGLIE.
PROFASE: condensazione della cromatina presente nel nucleo della cellula, seguita dalla formazione dei cromosomi.
La membrana nucleare si dissolve e due corpuscoli, i centrioli, cominciano a migrare verso i poli della cellula, formando
una struttura a raggiera, il fuso mitotico.
METAFASE: completa formazione dei cromosomi.
Le fibre de fuso si attaccano al cinetocore
Formazione piastra metafasica
ANAFASE: I cromatidi dei cromosomi si separano
Migrazione al rispettivo polo
La cellula si allunga
TELOFASE: diminuisce il grado di compattazione dei cromosomi
Vengono ricostituiti i nuclei
Ricompare il nucleolo
Scompare fuso
CITODIERESI : Divisione del citoplasma
Formazione di un solco in prossimità della zona equatoriale
FORMAZIONE DI DUE CELLULE FIGLIE GENETICAMENTE UGUALI ALLA CELLULA MADRE
IL CORREDO CROMOSOMICO E’ DIPLOIDE MA I CROMOSOMI SONO COSTITUITI DA UN SOLO
CROMATIDE CHE VIENE DUPLICATO IN S
PROFASE-METAFASE
METAFASE-ANAFASE-TELOFASE
La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche
alla cellula madre e la maggior parte degli organelli citoplasmatici
si distribuisce casualmente nelle cellule figlie
La riproduzione, in biologia, è l'insieme dei meccanismi mediante i quali gli esseri
viventi provvedono alla conservazione della propria specie generando nuovi
individui simili a sé e che subentreranno al genitore, o ai genitori, nella popolazione.
RIPRODUZIONE ASESSUATA (mitosi)
RIPRODUZIONE SESSUATA (meiosi/cariogamia)
SCISSIONE : MODALITÀ DI RIPRODUZIONE ASESSUATA, CARATTERIZZATA
DALLA DIVISIONE DELL'ORGANISMO IN DUE O PIÙ PARTI, DA CIASCUNA
DELLE QUALI SI SVILUPPA UN INDIVIDUO COMPLETO
SCISSIONE BINARIA
Il cromosomi duplicati si associano alla membrana in punti
diversi
formazione di un setto
Il tempo di duplicazione è 20 min
Le cellule figlie sono identiche tra loro e alla cellula madre
VARIABILITA’ GENETICA
Variabilità genetica
ADATTAMENTO
Nei batteri la riproduzione asessuata prevede un processo di duplicazione
MUTAZIONI
Per ricombinazione genetica si intende ogni processo attraverso il quale, a
partire da un genotipo, si ottengono nuove combinazioni di alleli rispetto a
quelle iniziali
BATTERI:
TRASFORMAZIONE
TRASDUZIONE
CONIUGAZIONE
TRASDUZIONE
Il trasferimento del materiale genetico è mediato da un virus dei batteri chiamato batteriofago.
1.
2.
3.
Le fimbrie del batteriofago si legano alla parete
del batterio, grazie a degli antirecettori che
riconoscono specifici siti di adesione sulla
parete cellulare.
La piastra aderisce alla parete del batterio.
Viene liberato un enzima, detto lisozima, che va
a ledere il peptidoglicano che costituisce la
parete batterica.
La coda si contrae ed il DNA del virus viene
spinto all'interno del DNA batterico.
CICLO LITICO: il DNA si replica, vengono sintetizzati RNA e proteine virali; queste ultime si uniscono fra
loro (si assemblano) per formare nuovi virus, nella cui testa si inserisce il genoma virale neoformato. Al
termine del processo, il batterio va incontro a lisi e a liberazione dei virus, che vanno poi ad infettare altri
batteri.
CICLO LISOGENO: il DNA virale va ad integrarsi nel DNA batterico.
I fagi che hanno un ciclo lisogeno vengono chiamati virus temperati, perché il loro DNA si integra nel
cromosoma batterico e come esso si comporta; di conseguenza, viene trasferito alle nuove generazioni
senza determinare alcun danno per il batterio. Questo stato di quiescenza può essere tuttavia spezzato
da stimoli opportuni (raggi UV, stress ecc.); in queste situazioni il DNA virale si può staccare, passando
dal ciclo lisogeno a quello litico.
TRASFORMAZIONE
Passaggio di frammenti di DNA libero, originati dalla lisi batterica, ad un batterio ricevente
1) legame tra DNA e cellula
2) ingresso del DNA nella cellula
3) ricombinazione del DNA libero che entra nel batterio ricevente
4) espressione fenotipica
Un DNA per essere trasformante deve essere:
1) a doppia elica
2) con peso molecolare superiore a 106 Dalton
3) avere un'elevata analogia col DNA della cellula ricevente
La cellula ricettrice, da parte sua, deve essere in uno stato fisiologico chiamato
di competenza. Una cellula è competente quando è al termine della sua crescita
esponenziale o logaritmica; in questa fase, infatti, la sintesi proteica è massima
e vengono espressi fattori di competenza (proteine che permettono al DNA di
entrare).
I batteri contengono frequentemente anche una o più copie di molecole di DNA,
per lo più circolari, di dimensioni molto più piccole di quelle del cromosoma
batterico, chiamate plasmidi.
Di solito i plasmidi non sono essenziali per la vitalità e la crescita dei batteri, ma
conferiscono ad essi delle particolari caratteristiche, quali, ad esempio, la
resistenza ad un antibiotico.
I plasmidi sono tra gli elementi genetici più utilizzati nelle procedure di clonaggio di
geni
CONIUGAZIONE
Trasferimento genico attraverso il contatto fisico tra due batteri, di cui il donatore è denominato F+
(fertilità positivo) e possiede un pilo di coniugazione, mentre il ricevente F-.
Alcuni batteri contengono un
plasmide, detto fattore F, che
codifica per delle proteine che
formano il pilo di coniugazione.
Questo plasmide, dotato di
replicazione autonoma, possiede dei
geni che gli consentono di replicarsi
e trasferirsi da un batterio F+ all'altro
(F-).
1.
2.
3.
un batterio F+ incontra un batterio F- e si forma un ponte di unione.
A questo punto il plasmide comincia a replicarsi con un meccanismo detto
rolling circle (in direzione 5' - 3'), durante il quale una delle due emieliche passa
attraverso il pilo.
Alla fine della replicazione e del trasferimento, abbiamo due F+, poiché il primo
mantiene la copia del plasmide, mentre l'F- riceve la seconda emielica, che poi
si duplica e forma il plasmide.
RIPRODUZIONE SESSUATA
•Contributo di individui di sesso diverso
•Aumento variabilità genetica
•Ogni individuo produce le cellule germinali (GAMETI) con corredo cromosomico aploide
FEMMINA
MASCHIO
MEIOSI
SPERMATOZOI (aploide)
OVOCITI (aploide)
FECONDAZIONE
ZIGOTE (diploide)
SVILUPPO DELL’INDIVIDUO
MEIOSI
La meiosi è un processo di divisione mediante il quale una cellula eucariotica con corredo cromosomico diploide dà
origine a quattro cellule con corredo cromosomico aploide.
Consiste in due divisioni nucleari e citoplasmatiche successive , precedute da una sola duplicazione del corredo genetico.
E’ UN PROCESSO FONDAMENTALE PER GARANTIRE LA CONSERVAZIONE DELLO STESSO NUMERO DI CROMOSOMI
ALL’INTERNO DI OGNI SPECIE.
Meiosi I (divisione riduzionale)
Profase: la cromatina si condensa formando i cromosomi metafasici
i cromosomi omologhi si appaiano lungo tutta la loro lunghezza formando delle
strutture dette tetradi. Quindi cominciano ad allontanarsi rimanendo uniti in punti detti
chiasmi. A livello di questi chiasmi avviene il crossing-over ⇒ scambio di materiale
genetico tra cromosomi omologhi. Il crossing-over aumenta la variabilità genetica,
ricombinando casualmente il materiale genetico.
Sempre in questa fase si dissolve la membrana nucleare, i centrioli migrano ai poli e
iniziano a formare il fuso.
Metafase: le tetradi si allineano in piastra equatoriale longitudinalmente ⇒ i
centromeri si fissano al fuso e gli interi cromosomi migrano ai poli della cellula.
Anafase: si completa la migrazione dei cromosomi.
Telofase: avviene la divisione delle 2 cellule e la riformazione della membrana
nucleare.
Al termine della meiosi I si sono formate 2 cellule aploidi.
La meiosi II
E’ sostanzialmente uguale alla mitosi, ma con un corredo cromosomico dimezzato.
Inoltre la profase è molto più rapida perché la cromatina è già spiralizzata.
Alla fine della meiosi II si formano 4 cellule figlie, tutte diverse tra loro e aploidi, cioè
con un patrimonio genetico dimezzato rispetto alla cellula madre.
Quindi nella meiosi a partire da una
cellula diploide si formano 4 cellule
aploidi, tutte diverse fra loro.
23 cromosomi con
Nelle regioni in cui si verifica il
1cromatide
crossing over vengono spezzati dei
cromatidi di un omologo e questi
segmenti vengono scambiati con le
porzioni corrispondenti dei cromatidi
dell'altro omologo.I cromatidi di ogni
omologo non contengono più un
materiale genetico identico: il
cromosoma di origine materna ora
contiene porzioni del cromosoma
omologo di origine paterna, e
viceversa. Come risultato, il figlio
eredita una mescolanza casuale
degli alleli dei due genitori per i
diversi caratteri.
DIVISIONE RIDUTTIVA
PROFASE I
1. leptotene
2. zigotene (sinapsi)
3. pachitene (crossing-over; tetrade)
4. diplotene (chiasmi)
5. Diacinesi
• METAFASE I
• ANAFASE I: i componenti di una coppia di
cromosomi omologhi si dirigono verso i poli
opposti; i centromeri non si sono divisi
quindi i cromosomi sono composti da due
cromatidi e sono detti diade
• TELOFASE I: 2 cellule figlie con meta’ dei
cromosomi formati ciascuno da due
cromatidi
DIVISIONE MEIOTICA
•PROFASE II
• METAFASE II
• ANAFASE II: si dividono i cromatidi di
ciascun cromosoma
• TELOFASE II: citocinesi 4 cellule con
metà numero dei cromosomi formati
ciascuno da un cromatide
Meiosi 1: i membri di ogni coppia di cromosomi omologhi
prima si uniscono, poi si separano e vengono distribuiti in
nuclei distinti.
Meiosi 2: i cromatidi che costituiscono ciascun cromosoma
omologo si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle
cellule figlie
PUNTI IMPORTANTI NELLA MEIOSI:
1. Produzione di cellule aploidi
2. CROSSING-OVER: nella profase I durante l’appaiamento tra i cromosomi omologhi
(tetradi) può avvenire uno scambio reciproco di parti tra cromosomi omologhi
3. ASSORTIMENTO CASUALE dei cromosomi omologhi (I divisione) e dei cromatidi
fratelli (II divisione) con formazione di nuove combinazioni. All’anafase I gli
omologhi si disgiungono e migrano ai due poli della cellula in modo indipendente
per ogni paio, allo stesso modo si comportano i cromatidi fratelli all’anafase II
2+3 RIMESCOLAMENTO DEL PATRIMONIO GENETICO
ERRORI DURANTE LA MEIOSI
ALTERAZIONI NUMERICHE
L'aneuploidia è una variazione nel numero dei cromosomi, rispetto a quello che normalmente caratterizza le cellule di un
individuo della stessa specie.
TRISOMIA 21 (sindrome di Down): presenza di 3 cromosomi 21 invece che 2. le cellule del’individuo hanno
quindi 47 cromosomi. Ritardo mentale-disturbi cardiocircolatori-maggiore suscettibilità alle infezioni.
SINDROME DI TURNER: presenza di un solo cromosoma X. Femmine con caratteri sessuali poco sviluppatibassa statura -ritardi nel processo di ossificazione dello scheletro
La formazione di uno zigote con un solo cromosoma sessuale X, da cui si sviluppa un individuo portatore di sindrome di
Turner, avviene se una cellula uovo normale, con corredo cromosomico X, viene fecondata da uno spermatozoo privo di
cromosoma sessuale; oppure se uno spermatozoo portatore del cromosoma X si fonde con una cellula uovo priva di
cromosoma sessuale.
ALTERAZIONI STRUTTURALI
DELEZIONI: perdita di un frammento da un cromosoma
DUPLICAZIONI: inserimento di un frammento di un cromosoma nel cromosoma omologo
INVERSIONI: reinserimento di un frammento di cromosoma nel cromosoma originario, ma con orientamento
invertito
TRASLOCAZIONE: spostamento di un frammento di un cromosoma su un cromosoma non
omologo
SINDROME CRI DU CHAT: è una malattia genetica rara causata dalla delezione di parte del cromosoma 5
ritado mentale-cranio piccolo-pianto/miaglolio
Le alterazioni cromosimiche che si verificano nelle cellule somatiche sono rsponsabili della possibile insorgenza di forme
tumorali.
LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA: traslocazione di una porzione del cromosoma 22 che si scambia con una
porzione del cromosoma 9, con conseguente attivazione di un gene che causa l’insorgenza di questa forma tumorale
GAMETOGENESI (OOGENESI-SPERMATOGENESI)
SPERMATOGENESI:
Le cellule germinali maschili si formano
nei testicoli. Gli spermatogoni sono
cellule diploidi che subiscono diversi
cicli mitotici nei tubuli seminiferi.
1 spermatogonio
4 spermatozoi
OOGENESI:
Le cellule germinali femminili si
formano nell’ovaio con un processo di
maturazione ciclica. Gli ovogoni si
riproducono per mitosi in epoca
prenatale e sono contenute nei
follicoli. Al momento della nascita
sono bloccati in profase I. quando
l’organismo raggiunge la maturità
sessuale, ogni mese un ovocita e il
suo follicolo maturano.
1 ovogonio
1 ovocita
I processi di base della meiosi sono simili a quelli della
mitosi, ma presentano 4 importanti differenze:
1. La meiosi comporta 2 successive divisioni nucleari e
citoplasmatiche con potenziale produzione di 4 cellule.
2. Nonostante le due divisioni il DNA subiscono una sola
duplicazione durante l’interfase che precede la div.
meiotica
3. Ognuna delle 4 cellule prodotte contiene un n°ap loide
di cromosomi, cioè solo un esemplare di ogni coppia di
omologhi.
4. Durante la meiosi l’informazione genetica che proviene
da entrambi i genitori viene mescolata, così che ogni cellula
possiede una combinazione di geni potenzialmente unica.