Ciclo cellulare e mitosi, Appunti di Biologia Animale

Scarica Ciclo cellulare e mitosi e più Appunti in PDF di Biologia Animale solo su Docsity! Ciclo cellulare e mitosi Una cellula si riproduce compiendo una serie ordinata di eventi con i quali duplica il suo contenuto e poi si divide in due. Questo ciclo di duplicazione e divisione, detto ciclo cellulare, è il meccanismo fondamentale alla base della riproduzione di tutti gli esseri viventi. Le funzioni fondamentali del ciclo cellulare sono: 1. Crescita cellulare e replicazione dei cromosomi; 2. Segregazione dei cromosomi; 3. Divisione cellulare. Ogni ciclo cellulare genera due cellule figlie geneticamente identiche, ciascuna delle quali può poi decidere di fermarsi o rientrare nel ciclo e dividersi a sua volta, compiendo un altro ciclo cellulare e così via, per generazioni e generazioni. Tuttavia, non tutti i tipi cellulari sono in grado di intraprendere gli eventi della duplicazione cellulare:  CELLULE IN CONTINUA PROLIFERAZIONE: cellule staminali e “cellule che si amplificano in transito”.  CELLULE QUIESCENTI, cioè non cicalanti normalmente, ma ancora in grado di proliferare in seguito a stimoli specifici: epatotici.  CELLULE TERMINALMENTE DIFFERENZIATE, cioè altamente specializzate ed incapaci di duplicarsi ulteriormente: neuroni. Esiste una sorta di “regola di massima” per cui più le cellule sono differenziate e specializzate nello svolgere un determinato compito, e meno sono in grado di proliferare. I meccanismi di base che regolano il ciclo cellulare sono altamente conservati dal lievito all’uomo. Differiscono invece altri meccanismi che riguardano la regolazione più fine a cui devono essere sottoposte le cellule degli organismi multicellulari cui viene richiesto il rispetto di precise regole “sociali” (quando, quanto, perché, dove proliferare etc.). LE QUATTRO FASI DI UN TIPICO CICLO CELLULARE EUCARIOTICO Il ciclo cellulare eucariote si articola in quattro fasi, che possono essere divise in due periodi:  INTERFASE (fase G1, S e G2): la cellula cresce costantemente.  FASE M: divisione cellulare. Durante la fase S (“sintesi”) la cellula replica il DNA nucleare, condizione necessaria per la divisione. Alla fase S si accompagnano due fasi (chiamate G1 e G2) durante le quali la cellula continua ad accrescersi. Durante queste due fasi G (“gap”, “intervallo”) la cellula effettua un monitoraggio dell’ambiente interno ed esterno per accertarsi che le condizioni siano adatte alla riproduzione e i preparativi siano terminati prima di impegnarsi negli sconvolgimenti legati alla fase S (che segue G1) ed M (che segue G2). In particolari momenti delle fasi G1 e G2 la cellula decide se procedere alla fase successiva o attendere, concedendosi altro tempo per i preparativi. Durante la fase M avviene la vera e propria divisione cellulare. In particolare, prima si divide il nucleo, attraverso un processo chiamato MITOSI, e poi si divide il citoplasma, e quindi si divide in due l’intera cellula, attraverso un processo chiamato CITOCHINESI. LA DURATA DELLE FASI DEL CICLO CELLULARE La durata del ciclo cellulare varia a seconda delle esigenze delle diverse cellule. Per esempio:  Embrione di rana: 20-30 minuti.  Lievito: 1.5-3.0 ore.  Cellula epiteliale: 12 ore.  Fibroblasto: 24 ore.  Epatocita: 1 anno. Considerando l’arco medio di durata del ciclo cellulare di circa 24 ore si possono definire i tempi delle diverse fasi del ciclo cellulare: MECCANISMO DI BASE DEL SISTEMA DI CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE Durante il ciclo cellulare, le chinasi sono sempre presenti mentre la famiglia delle cicline è presente soltanto nella fase M. Allora il complesso ciclina-Cdk sarà funzionante solo quando nella fase M è presente la ciclina mitotica, mentre l’attività di Cdk sarà interrotta quando la ciclina verrà degradata. ESPRESSIONE TEMPORALE DELLE CICLINE Al controllo del ciclo cellulare partecipano diversi tipi di ciclina e vari tipi di Cdk. I diversi complessi ciclina-Cdk danno avvio a diverse tappe del ciclo cellulare:  La ciclina che agisce nella fase G2, spingendo le cellule nella fase M, si chiama ciclina M e il complesso attivo che essa forma con la sua Cdk è detto M-Cdk.  Cicline S e cicline G1/S, legano una Cdk diversa nella fase G1 avanzata, formando i complessi S-Cdk e G1/S-Cdk, che danno avvio rispettivamente alla fase S e alla fase G1.  Le cicline G1 agiscono in un momento precedente del ciclo: legano le proteine Cdk e formano complessi G1-Cdk, che contribuiscono a far progredire la cellula lungo la fase G1 e verso la fase S. Il meccanismo del complesso ciclina-Cdk si basa su un fenomeno di auto-fosforilazione. La Cdk ha un dominio nella struttura proteica che determina l’attività di legame ad un gruppo fosfato. Quando la Cdk è associata alla corretta ciclina questo dominio si apre, mette in contatto il sito catalitico della ciclina con i corretti amminoacidi e quindi può avvenire la funzione di auto-fosforilazione che rende il complesso attivo. In alcuni casi c’è addirittura un eccesso di attività, per cui se la ciclina e la corrispondente Cdk rimangono associate troppo a lungo può avvenire una sovra-fosforilazione che diventa inibitoria. Inoltre, ci sono proteine in grado di legarsi ai complessi ciclina-Cdk, e la loro presenza può, per esempio, ridurre l’attività di un complesso ciclina-Cdk già attivato (esempio: p27). Le concentrazioni delle cicline sono regolate mediante modulazione della trascrizione e proteolisi: il graduale incremento della concentrazione della proteina è dovuto all’aumento della trascrizione dei geni delle cicline, mentre il calo improvviso dipende dalla degradazione mirata della proteina. La degradazione delle cicline M e S a metà fase M dipende da un complesso multienzimatico chiamato complesso che promuove l’anafase o APC (Anaphase Promoting Complex). Tale complesso etichetta queste cicline con una catena di ubiquitina, in modo tale che esse vengano marcate per essere indirizzate al proteasoma per essere rapidamente degradate. L’ubiquitazione e la degradazione della proteina riportano la Cdk al suo stato inattivo. Con lo stesso meccanismo, è possibile attivare la Cdk tramite proteine che degradano l’inibitore aggiungendo una catena di ubiquitina. MITOSI La mitosi è un processo di divisione cellulare che garantisce la conservazione e la distribuzione dello stesso numero di cromosomi da una cellula madre alle due cellule figlie. Il materiale cromosomico si raddoppia una volta e la cellula si divide una volta. La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche alla cellula madre. Le due cellule figlie potranno avere destini diversi. La cellula diploide di partenza dispone di una coppia di cromosomi, ciascuno formato da un cromatidio. È durante la fase S che questi si sono replicati per dare quattro cromatidi fratelli. Al termine della mitosi vi sono due cellule figlie, ciascuna delle quali contiene due cromosomi, ciascuno formato da un cromatidio. Quando le cellule raggiungono una certa dimensione devono arrestare l’accrescimento o dividersi. La divisione cellulare eucariotica coinvolge due principali processi:  MITOSI: è un processo complesso che interessa il nucleo e assicura che ogni nuovo nucleo riceva lo stesso numero e gli stessi tipi di cromosomi che erano presenti nel nucleo di origine.  CITOCINESI: consiste nella divisione del citoplasma della cellula per formare due cellule figlie. In realtà, la mitosi della fase M può essere ulteriormente divisa in quattro sottofasi: 1. PROFASE; 2. METAFASE; 3. ANAFASE; 4. TELOFASE/CITOCINESI. APOPTOSI VS NECROSI Anche la MORTE CELLULARE fa parte del ciclo cellulare. Per necrosi si intende la forma di morte cellulare in cui le membrane cellulari perdono la loro integrità, rilasciando così l’intero contenuto della cellula. Questo accade in seguito ad un evento traumatico. Uno dei meccanismi che gli organismi pluricellulari hanno per difendere un tessuto così esposto all’ambiente esterno è quello di “mettere una pezza”, e ciò avviene grazie alle cellule di natura fagocitica che si mangiano tutto ciò che è il materiale rilasciato e si cerca di “tamponare” la ferita. Per apoptosi si intende una forma di morte cellulare programmata. Si tratta di un processo ben distinto rispetto alla necrosi cellulare, e in condizioni normali contribuisce al mantenimento del numero di cellule di un sistema. Il vantaggio di questo meccanismo è quello di essere limitato alle cellule che lo intraprendono e di garantire la continuità tissutale. In questo caso le cellule compiono una sorta di suicidio: iniziano piano piano a rimpicciolirsi, come conseguenza di un inizio di condensazione della cromatina, ed emettono delle grosse porzioni vescicolate che contengono citoplasma e una parte di DNA. Questo materiale viene poi raccolto tutto in quelli che prendono il nome di corpi apoptotici, ovvero delle grosse vescicole, che rimangono localizzati dove vi era la cellula originaria e vengono poi recuperate dalle cellule circostanti. Questo fenomeno è necessario per l’eliminazione di alcuni tessuti durante la fase dello sviluppo e questo permette, per esempio, la differenziazione tra individuo maschile ed individuo femminile. 1 Durante la fase Profae 2 Quando la cellula entra in profase, ha inizio Prometafase 3 La prometafase è caratterizzata dalla $ dell'interfase, il _—la mitosi. La cromatina si avvolge progres- completa scomparsa della membrana nucleo duplica il sivamente divenendo via via più compatta e nucleare: infatti l'involucro nueleare si proprio DNA e i condensandosi in forma di cromosomi. Ogni frammenta. Compaiono i microtubuli centrosomi. «cromosoma è formato da una coppia di cro- del cinetocore che connettona i cineto- matidi fratelli identici. cori ai poli l 1 ù ; Nucleo Invelutro ue Mueleolo Cimetotore Imolutro nutleare Mierotubuli del cinetotore Metafase Anafase Telofase 4 Nella metafase tutti i centromeri dei cromosomi ‘5 Durante l'nafase, la coppia di cromatidi fratelli si separa risultano allineati sul pia- ei muovi cromosomi figli co- no equatoriale, al centro —minciano a spostarsi verso i della cellula. poli. | isp 61 cromosomi figli raggiungono i poli. Quan- do la telofase si conclude, l'involucro nucleare « i nucleali si riformano, la cromatina diventa ‘meno compatta e la cellula entra in una nuova interfase. Nelle cellule vegetali, la rigida struttura della parete cellulare, impedisce la formazione di un solco partendo dall'esterno della cellula. Si forma una piastra cellulare a partire dal centro della cellula, che si estende fino alla membrana individuando due compartimenti, grazie al pare attati Cellule animali deposito di vescicole di cellulosa. Le cellule animali normalmente si dividono per invaginazione della membrana plasmatica: si forma un solco nella regione equatoriale della cellula, che diventa sempre più profondo fino a dividere la cellula in due parti. Calle vegetali Hi