divisione cellulare, meiosi e mitosi, Sintesi del corso di Biologia

Scarica divisione cellulare, meiosi e mitosi e più Sintesi del corso in PDF di Biologia solo su Docsity! DIVISIONE CELLULARE Durante lo sviluppo embrionale si generano tutte le cellule che costituiscono i diversi tessuti e caratterizzano un Organismo vivente. Due processi sono fondamentali per far sì che da una singola cellula, chiamata zigote, si sviluppi un organismo completo: • la cellula deve crescere e dividersi per dare origine a più cellula; • le cellule che da essa originano devono acquisire delle proprietà peculiari, trascrivendo specifici geni che le portino a formare i vari tessuti dell’organismo. Questi processi sono conosciuti come il ciclo cellulare e il differenziamento cellulare. Ritroviamo un terzo processo che svolge un ruolo importante nell’omeostasi cellulare. Questi processi determinano lo stato proliferativo di una cellula e quindi di un tessuto. Negli organismi unicellulari la divisione cellulare corrisponde alla riproduzione dell’intero organismo, mentre nei pluricellulari la divisione cellulare è fondamentale per la determinazione, l’accrescimento e l’omeostasi dei diversi tessuti. Gli organismi unicellulari più semplici, ovvero i procarioti, si dividono per Scissione. La cellula aumenta di dimensioni, replica il DNA e si divide dando origine a due cellule figlie. Il cromosoma batterico si replica e due nuove molecole di DNA si separano una dall’altra mentre la cellula si allunga. Alla fine, nella zona equatoriale della cellula, si formerà una strozzatura che progressivamente si accentuerà fino a scindere la cellula nelle due cellule figlie. La divisione cellulare nei batteri può essere un processo assai rapido mentre negli eucarioti è più complesso e ne esistono di due tipi: meiosi e mitosi. Negli eucarioti superiori tutte le cellule della linea somatica e quelle della linea germinale non differenziate (ovogoni e spermatogoni) Si dividono per mitosi, mentre la meiosi è un processo che interessa esclusivamente la linea germinale. La mitosi negli organismi pluricellulari è fondamentale per la formazione dei tessuti e per l’omeostasi tissutale. Durante la mitosi, il patrimonio genetico viene replicato ed equamente ripartito tra le cellule figlie. Nella meiosi il patrimonio genetico delle cellule figlie e diverso per due motivi: 1. Il patrimonio cromosomico risulta dimezzato da diploide (2N) ad aploide (N). Con il termine ploidia si indica il numero delle serie di cromosomi delle cellule di un organismo infatti le cellule diploidi possiedono coppie di cromosomi omologhi mentre quelle aploidi hanno solo un set di cromosomi. 2. Attraverso processi di ricombinazione omologa si aumenta la variabilità del patrimonio genetico. CICLO CELLULARE Le cellule eucariotiche riproducono se stesse grazie ad una serie ordinatari eventi che ad ogni divisione cellulare si ripetono con la medesima sequenza e che termineranno con una motosi o con una meiosi. Questa sequenza ordinata di eventi sfocia nella riproduzione delle cellule ed è stata denominata ciclo cellulare. Lo scopo del ciclo cellulare è quello di generare due cellule figlie con lo stesso patrimonio cromosomico della cellula madre, “copia” fedeli di questa: infatti il DNA duplicato sarà una copia fedele, il citoplasma e gli organuli cellulari, saranno equamente le distribuiti tra le due cellule figlie. Durante il ciclo cellulare la cellula svolge molte attività: si muove, cresce in dimensioni, produce ATP, sintetizza lipidi e proteine, riparare il DNA eccetera. Ci sono tre eventi affinché la cellula possa dividersi: 1. Replicare il DNA 2. Prepararsi alla divisione, modificando in modo appropriato i propri organuli e il proprio genoma 3. Separare fisicamente in due parti il citoplasma attraverso un processo denominato citodieresi. Ad un certo momento la cellula si arrotonda, il nucleo si disgrega, i cromosomi diventano visibili, la cellula si solleva dal substrato di adesione, si allunga e si divide dando origine a due cellule. Questi cambiamenti, descritti con il termine mitosi, sono reversibili e di breve durata. Il lungo periodo che separa una mitosi dalla successiva viene definito Interfase, in quanto rappresenta il tempo che separa due fasi mitotiche. Durante questa fase la cellula deve crescere di dimensioni, deve replicare il DNA e deve monitorare l’integrità del genoma, controllando che il DNA non abbia accumulato un eccessivo numero di mutazioni. Molte di queste attività cellulari che si osservano durante l’Interfase avvengono in modo ordinato e sequenziale. La replicazione del DNA al luogo durante un periodo limitato noto come fase S, ovvero di sintesi. Questa fase separata da quella di accenti da due intervalli di tempo detta fase G1 e fase G2 (dall’inglese gap.) La durata di queste due fasi può variare ampiamente nei diversi tipi cellulari. Queste fasi di Gap servono alla cellula per integrare le informazioni che riceve dall’ambiente esterno (G1) come i fattori di crescita, oppure dall’ambiente interno (G2) circa la fedeltà della replicazione del DNA, e per la verifica che tutte le condizioni richieste per la formazione di due nuove cellule siano state soddisfatte. Queste fasi rappresentano momenti decisionali fondamentali per la cellula infatti il ciclo cellulare può anche essere bloccato. La durata delle fasi può variare notevolmente nei diversi tipi di cellule. Nelle fasi iniziali dello sviluppo embrionale il ciclo è molto rapido ed in alcuni organismi si stenta a distinguere le fasi G1 e G2. Si possono infatti osservare rapide alternanze di fasi M (mitosi) e fasi S anche perché molte delle macro molecole necessarie per la costruzione delle nuove strutture cellulari sono state già accumulate dalla cellula uovo. Alcuni sistemi verificano il passaggio attraverso le diverse fasi che contraddistinguono il ciclo cellulare. Il passaggio da una fase all’altra non è un evento automatico, anzi la transizione tra le diverse fasi è sottoposta a continue verifiche per essere sicuri che le procedure caratteristiche di ciascuna fase siano state completate. È richiesto che ogni fase sia correttamente terminata affinché la successiva possa essere avviata. Le continue verifiche che subisce la cellula sono denominate checkpoint o punti di controllo del ciclo cellulare. Il sistema dei checkpoint opera affinché le diverse fasi si attivino in sequenza temporale ordinata. Ritroviamo tre checkpoint: 1. Il checkpoint che controlla l’ingresso nella fase S: questo controlla che il DNA sia integro, che vi siano gli elementi nutritivi necessari per la Crescita cellulare e che nell’ambiente extracellulare vi siano i fattori di crescita idonei. Il non superamento di questo checkpoint provoca l’uscita delle cellule del ciclo, una permanenza prolungata fuori dal ciclo è descritta come fase G0. 2. Il checkpoint che controlla l’ingresso nella fase M.: la cellula controlla che il DNA non abbia subito danni a mutazioni. Tale controllo impedisce ad una cellula, che non abbia completato la duplicazione del DNA in maniera corretta, di proseguire la mitosi. 3. Il checkpoint e che controlla il completamento della fase M. il checkpoint mitotico opera affinché sia controllata la progressione della mitosi. In questo modo è verificata ANAFASE Durante questa fase si rompono i legami che tengono uniti i cromatidi fratelli e ciascuno di essi migra velocemente verso il polo del fuso al quale è legato tramite le fibre del cinetocore. Questa migrazione consente che il patrimonio cromosomico sia ripartito in modo identico tra due poli della cellula dalla quale origineranno le due cellule figlie. La rapida migrazione è permessa dall’eliminazione delle coesine che fungevano da collante a livello delle regioni centromeriche. Un importante evento che controlla il passaggio dalla metafase all’anafase è il rapido spegnimento dell’attività chinasica di CdK1 in seguito dell’indirizzamento della ciclina B al Proteosoma e la sua conseguente degradazione. La reazione enzimatica che trasferisce l’ubiquitina B è innescata da alcune componenti di APC; il complesso multiproteico APC contiene anche una E3 ligasi che permette la degradazione della ciclina. APC controlla anche il processamento di altre proteine necessarie per l’intera anafase, quali la securina che è l’inibitore della separasi, responsabile della degradazione delle coesine che uniscono i centromeri dei cromatidi fratelli. APC così controlla anche lo svincolarsi dei cromatidi fratelli, necessario per permettere la loro migrazione verso i poli del fuso. L’anafase rappresenta il momento funzionale in cui si attua il trasportod ei cromosomi; quando i cromatidi fratelli saranno liberati del collante costituito dalla coesina, si osserva il loro rapido spostamento verso i poli opposti del fuso. Le fibre del cinetocore Il movimento dei cromosomi verso i poli dei microtubuli è permesso da due accadimenti: 1. L’accorciamento delle fibre del cineticore ad opera di una sua proteina, la catastrofina, che promuove il rilascio di eterdimeri di Alfa-beta tubulina dall’estremità positiva dei microtubuli; 2. Il movimento di meccanoenzimi della famiglia delle chinesine, presenti nel Cinetocore dove legano il DNA centromerico con consumo di ATP, verso le estremità negative dei microtubuli. Questo processo è anche definito anafase A. Le fibre interpolari Un altro fattore che contribuisce all’allontanamento dei cromatidi fratelli è rappresentato dall’allungamento del fuso mitotico. Il fuso si allunga per mezzo di due diverse azioni: la prima prevede la polimerizzazione delle fibre interpolari per aggiunta di eterodimeri di tubulina alle loro estremità positive; la seconda consiste nell’attività di meccanoenzimi che agiscono in prossimità delle aree di sovrapposizione dei microtubuli polari provenienti dagli opposti poli. Ciò fa in modo che la zona di sovrapposizione non si riduca nel tempo, garantendo una spinta continua con il procedere dell’anafase. Inoltre, l’allungamento delle fibre stesse causato dalla polimerizzazione dei microtubuli interpolari provoca l’allungamento del fuso nel suo complesso. Le fibre astrali Queste fibre e le proteine adesso associate contribuiscono all’allontanamento dei poli. Le fibre astrali si dipartono dai poli e raggiungono il Cortex della cellula; presentano proteine motrici legate all’estremo positivo dei micro tubuli che sono in contatto con uno strato di micro filamenti di actina addossato al lato interno della membrana plasmatica ed è proprio questo legame che impedisce alle dineine di muoversi verso l’estremo negativo dei microtubuli. Le fibre astrali riescono a generare un’attenzione sul fuso verso l’estremità favorendo il suo allungamento. TELOFASE All’inizio della telofase ogni cromatidio fratello è già stato trasportato alle due post regioni della cellula. Nel corso di questa fase si riforma l’involucro nucleare a partire da vescicole che si associano con i cromosomi. La lamina nucleare viene de-fosforilata e Ri-polimerizza, mentre i pori nucleari Si riassemblano ed i cromosomi cominciano gradualmente a decompattarsi. Gli organelli citoplasmatici per garantire un’equa ripartizione tra le cellule figlie incominciano a riorganizzarsi nella loro struttura caratteristica di una cellula in Interfase. CITOCHINESI Durante il progredire della telofase le cellule acquistano nuovamente un’identità Interfasica ma, affinché la mitosi si possa concludere, è ancora necessaria la separazione del citoplasma. Tale processo viene denominato citochinesi o citodieresi. La Citochinesi è controllata dal fuso mitotico, difatti il primo segno della separazione del citoplasma è rappresentato da una piccola introflessione della membrana plasmatica che si sviluppa perpendicolarmente all’asse che separa i due poli del fuso. Questa invaginazione si evidenzia in modo sempre più marcato fino a formare un solco tramite il quale la membrana plasmatica sarà separata in due. Nella citochinesi, svolgono un ruolo fondamentale il sistema dei microfilamenti, rappresentato dall’actina e dai meccanoenzimi miosine. Al di sotto del invaginazione della membrana plasmatica si accomunano i filamenti di actina e miosina di tipo II, a formare una struttura denominata anello contrattile; questo si trova nel Cortex cellulare ed in questa localizzazione le teste della miosina interagiscono con i filamenti di actina in una situazione non troppo diversa da quella osservabile nei sarcomeri del muscolo striato. MEIOSI La riproduzione sessuale dà agli organismi viventi un importante vantaggio aumentando la variabilità genetica delle generazioni successive. Negli organismi eucaristici, i gameti devono contenere una sola copia del corredo cromosomico. Al momento della fecondazione, a seguito della fusione tra gamete maschile e femminile con formazione dello zigote, si ricostituisce un patrimonio cromosomico doppio (diploide). La meiosi interessa le cellule della linea germinale ed entra in gioco proprio durante la gametogenesi. Grazie a due divisioni successive, senza nuova sintesi di DNA, la meiosi permette la riduzione del numero di cromosomi da diploide ad aploide. Il dimezzamento prevede che ciascun gamete contenga un rappresentante di ciascuna coppia di omologhi presente nella cellula diploide che è entrata in meiosi. La meiosi consta di due processi di divisioni successive, divisibili in Meiosi I e Meiosi II, precedute da una sola duplicazione del DNA. Rispetto alla mitosi, i tempi di divisione sono più lunghi. Durante la meiosi possiamo identificare i momenti: profase I, metafase I, anafase I e telofase I e da altrettante fasi per la II divisione. MEIOSI I La Meiosi I è preceduta dalla fase S, quindi una cellula entra in meiosi con un patrimonio genetico duplicato, dove i cromosomi sono formati da cromatidi fratelli uniti, oltre che dal centromero, anche dalla coesina. La meiosi I si contraddistingue per una profase molto prolungata, tanto che viene distinta in diverse sottofasi denominate: leptotene, zigotene, pachitene, diplotene e diacinesi. La profase della meiosi ricorda quella della mitosi, perché i cromosomi si compattano, l’involucro nucleare si frammenta e seguono altri caratteristici eventi della profase (leptotene). Nella profase I della meiosi I si stabiliscono le interazioni che uniscono tutte le coppie di cromosomi omologhi. Poiché ogni cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli, nel momento dell’appaiamento si formano le tetradi (zigotene). Una peculiarità della profase I è l’organizzazione del complesso sinaptonemico o sinaptinemale tra i cromosomi omologhi. Questo complesso risulta basilare per garantire un corretto appaiamento tra gli omologhi e per favorire il fenomeno del crossing over, cioè lo scambio tra tratti omologhi di cromosomi omologhi, in conseguenza del quale si determina ricombinazione. Durante il pachitene, al termine del crossing over, ciascun cromosoma avrà cromatidi che presentano nuove combinazioni di alleli perché sono stati scambiati segmenti di origine paterna con tratti omologhi di origine materna, praticamente i cromatidi saranno ricombinati. Del complesso sinaptonemico fanno parte proteine strutturali, che regolano la spaziatura tra i filamenti di DNA, altre proteine che coordinano l’organizzarsi del DNA in anse regolari ed anche enzimi che promuovono la ricombinazione. Il crossing over è uno dei momenti caratteristici e di maggiore rilievo della meiosi in quanto produce variabilità genetica. La doppia elica di DNA s’interrompe e poi si risalda con un processo regolato accuratamente che richiede l’intervento di diversi gruppi di enzimi. La meiosi genererà dei gameti che saranno sempre diversi fra loro. La meiosi e la riproduzione sessuale costituiscono una rilevante sorgente di variazioni dell’assortimento genico e quindi una notevole potenzialità, maggiore rispetto agli organismi a riproduzione asessuata, di adattamento all’ambiente. Il complesso sinaptonemale scompare nella fase detta diplotene ed i cromosomi omologhi restano uniti solo in zone limitate in alcuni punti detti chiasmi (incrocio) che osno l’espressione morfologica dei punti in cui si è verificato il crossing over. Su di una tetrade si possono osservare più chiasmi a sottolineare più eventi di scambio. Successivamente i chiasmi saranno risolti e tra la metafase e l’anafase I si osserverà la separazione degli omologhi, ovvero un elemento della coppia sarà trasportato ad un polo e l’altro elemento del polo opposto.