Il Ciclo Cellulare e la Divisione Cellulare: Dalla Mitosi alle Meiosi, Appunti di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario

Scarica Il Ciclo Cellulare e la Divisione Cellulare: Dalla Mitosi alle Meiosi e più Appunti in PDF di Biologia, microbiologia e tecnologie di controllo sanitario solo su Docsity! 1 La divisione cellulare è il processo attraverso il quale da una cellula di partenza, detta cellula madre o progenitrice, si ottengono due cellule figlie identiche dal punto di vista genetico. È importante osservare che, durante la divisione, ogni cellula deve fornire a entrambe le cellule figlie una copia esatta del proprio patrimonio genetico; questo complesso meccanismo garantisce che tutte le nuove cellule che si formano contengano le stesse informazioni ereditarie. Nei procarioti come i batteri la divisione cellulare prende il nome di scissione binaria ed è una forma di riproduzione asessuata, che non comporta cioè la produzione di cellule riproduttive. In questi microrganismi la duplicazione e la distribuzione delle due copie del patrimonio genetico è relativamente semplice. Il materiale ereditario, infatti, è formato da un'unica lunga molecola circolare di DNA, a cui è associata una certa varietà di proteine. Questa molecola, che rappresenta il cromosoma batterico, deve duplicarsi prima che la cellula si divida. In alcuni eucarioti unicellulari, come i lieviti, è presente un altro tipo di riproduzione asessuata che ricorda la scissione binaria dei procarioti, chiamata gemmazione: da una cellula si forma una piccola protuberanza, detta gemma, che si accresce e poi si stacca dalla cellula d'origine generando un nuovo individuo. Alcuni batteri si riproducono molto velocemente, quindi sono in grado di colonizzare altrettanto rapidamente l'ambiente in cui si trovano. In una tipica curva di crescita batterica sono riconoscibili quattro momenti: 1. fase di latenza, con l'aumento di volume dei batteri, ma senza divisione cellulare; 2. fase di crescita esponenziale (o logaritmica), in cui i batteri si riproducono velocemente; 3. fase stazionaria, in cui i batteri si moltiplicano con tempi più lunghi e con velocità di crescita molto bassa; 4. fase di declino (o lisi), durante la quale il tasso di mortalità aumenta fino a raggiungere un livello costante. 2 Ciascuno dei due nuclei delle cellule figlie riceve un completo assetto cromosomico grazie a una serie di eventi, o fasi, che nel loro insieme prendono il nome di mitosi. In genere, la mitosi è seguita dalla citodieresi, un processo che divide il citoplasma e prevede la spartizione degli organuli in esso contenuti. Sebbene mitosi e citodieresi siano gli eventi culminanti della divisione cellulare, rappresentano soltanto due dei cinque stadi di un processo chiamato ciclo cellulare; le altre tre fasi del ciclo (che prendono il nome di G₁, S e G₂) costituiscono nel loro complesso l'interfase, ovvero il periodo compreso tra due divisioni successive. Nel corso di queste tre fasi la cellula svolge diversi compiti: -la fase G (dall'inglese gap, «intervallo») rappresenta gran parte della vita della cellula, durante la quale essa si accresce, sintetizza proteine e svolge le proprie attività vitali; -la fase S (S sta per sintesi) ha inizio quando la cellula è pronta a dividersi e duplica il proprio materiale genetico; -la fase G2 comprende la spiralizzazione dei cromosomi e la sintesi delle proteine indispensabili per la costruzione del fuso mitotico, la struttura che, come vedremo, separa i cromosomi duplicati trascinandoli nelle due future cellule figlie. Alcune forme di vita passano in continuazione attraverso successivi cicli cellulari; un esempio è dato dalle cellule staminali, presenti anche nel nostro corpo, che non sono specializzate in alcuna funzione particolare, ma sono in grado di trasformarsi in altri tipi di cellule. Un settore innovativo e promettente della ricerca scientifica punta a sfruttare le cellule staminali in campo terapeutico per riparare specifici tessuti o ricreare parti di tessuti lesionati o di organi non più funzionanti. Alcuni tipi di cellule mantengono la capacità di dividersi anche dopo aver raggiunto la maturità, ma soltanto in determinate circostanze. Le cellule del fegato umano, per esempio, non si dividono, ma se una parte di questo organo viene asportati chirurgicamente, le cellule restanti continuano a duplicarsi finché la ghiandola non raggiunge le dimensioni normali; a questo punto la divisione si arresta. Altre cellule, invece, perdono la capacità di duplicarsi una volta raggiunta la maturità: è il caso dei globuli rossi prodotti dal midollo osseo, che una volta invecchiati muoiono. Comprendere i meccanismi del ciclo cellulare è di fondamentale importanza per combattere il cancro, un ammasso di cellule in rapida crescita che si riproducono senza controllo alterando le normali funzionalità degli organi. I meccanismi che regolano la divisione cellulare sono ancora oggetto di studio ma tra i sistemi di controllo già individuati vi è l'inibizione da contatto, che agisce, provocando un arresto della divisione cellulare quando le cellule, moltiplicandosi, entrano in contatto tra loro. Ad esempio quando un tessuto subisce un danno le cellule cominciano a dividersi finché non tornano ad aderire le une alle altre rimarginando la lesione e formando una cicatrice. Un altro meccanismo di controllo, detto dipendenza dall'ancoraggio, consente alle cellule di dividersi soltanto quando si trovano a contatto con una superficie solida. Senza questo vincolo, le cellule che si staccano dalle pareti dei vasi sanguigni ed entrano nella corrente circolatoria potrebbero dividersi senza controllo, producendo ammassi cellulari che andrebbero a ostruire vene e arterie. Quando la cellula svolge le proprie attività metaboliche, il DNA si trova disperso nel nucleo sotto forma di filamenti associati a proteine che prendono il nome di cromatina. All'inizio della mitosi, la cromatina si addensa nei cromosomi. Poiché il DNA si è già duplicato durante la fase S dell'interfase, ogni cromosoma è costituito da due filamenti di materiale genetico identico, che sono uno la copia dell'altro: i cromatidi fratelli, uniti tra loro in una regione di contatto detta centromero. Nella zona del centromero sono presenti due strutture discoidali contenenti proteine, i cinetocori che fungono da ancoraggio per i microtubuli che nell'insieme formano il fuso. Le fibre che lo costituiscono hanno la funzione di separare le coppie di cromatidi fratelli, trascinandoli in direzioni opposte ai due poli della cellula. Nelle cellule animali, in genere, a ciascun polo del fuso si posiziona una coppia di centrioli da dove partono altre fibre che nel loro complesso prendono il nome di aster. Nelle cellule vegetali la funzione può essere svolta dalla parete cellulare rigida. Il processo di mitosi viene suddiviso in cinque tappe successive che portano alla duplicazione e alla. separazione del materiale genetico: -profase, in cui la cromatina si compatta a formare i due cromatidi fratelli; tra loro e non assomigliarsi per nulla. Questa variabilità presente nella trasmissione ereditaria è alla base di quei processi evolutivi che hanno permesso alle varie forme di vita di modificarsi e di adattarsi ai cambiamenti ambientali nel corso del tempo. Alcune malattie genetiche umane sono dovute ad anomalie nel numero o nella struttura degli autosomi oppure dei cromosomi sessuali. Queste anomalie possono dipendere da errori meiotici e questo fenomeno è noto come non-disgiunzione. Quando nella meiosi si verifica una non-disgiunzione, il risultato è la produzione di gameti con uno o più cromosomi in più e di altri con meno. Durante la fecondazione, l'unione di uno di questi gameti con un gamete normale porta alla formazione di uno zigote anomalo; e di conseguenza, tutte le cellule del nuovo individuo avranno un numero errato di cromosomi. Nella specie umana non esistono patologie causate dalla mancanza di uno o più autosomi poiché l'anomalia è molto grave e compromette la sopravvivenza delle cellule. Ci possono essere, invece, rare patologie dovute a cromosomi soprannumerari. Spesso le anomalie cromosomiche sono di tale gravità che il feto viene spontaneamente abortito. Per individuare cromosomi soprannumerari o malformati si possono effettuare analisi genetiche prenatali. A partire da queste cellule fetali è possibile isolare e ordinare i relativi cromosomi, definendo il cariotipo del soggetto. Nel cariotipo le coppie di autosomi sono poi disposte in ordine decrescente di grandezza e numerate. Attualmente non è ancora possibile curare persone affette da anomalie cromosomiche dovute a una non-disgiunzione, poiché il difetto presente nello zigote viene trasmesso a tutte le cellule del futuro individuo. Una delle più note e frequenti malattie cromosomiche a carico degli autosomi è la sindrome di Down il termine sindrome indica un complesso di sintomi anomali che si possono osservare in un individuo. Chi è affetto da sindrome di Down possiede nel proprio patrimonio genetico tre cromosomi 21 anziché due, perciò questa anomalia è anche detta trisomia 21, e un totale di 47 cromosomi. Nella maggior parte dei casi, le persone affette da sindrome di Down sono di bassa statura, con corpo tozzo e collo grosso, scarso tono muscolare, ritardo mentale che varia da forme lievi a forme molto gravi, lingua larga, maggiore sensibilità alle infezioni e, spesso, disfunzioni al cuore e ad altri organi. Il ritardo mentale oggi è decisamente ridotto grazie a specifici interventi educativi e di coordinazione motoria. Una piccola piega della pelle posta nell'angolo interno dell'occhio vicino alle ghiandole lacrimali conferisce all'occhio stesso un aspetto orientale; per questo motivo, la malattia è stata definita mongolismo, cioè caratterizzata dall'occhio mongolico, o asiatico. La sindrome di Down presenta un'alta frequenza in tutti i gruppi etnici. Oggi in Italia circa un bambino su 1000 nasce affetto da questa trisomia, che è correlata principalmente all'età della madre. Gli individui colpiti dalla sindrome di Down che vivono nel nostro Paese sono circa 40 000. Grazie a cure specifiche, la loro aspettativa di vita può superare i 60 anni. Altre trisomie autosomiche negli esseri umani sono: - la sindrome di Edwards: dovuta a una trisomia della diciottesima coppia di autosomi, è caratterizzata da bambini nati con testa deforme, gravissimo ritardo sia mentale sia fisico e dita delle mani e dei piedi sovrapposte. La sindrome di Edwards è la trisomia più comune dopo quella di Down, ma l'aspettativa di vita è molto più bassa e la maggior parte dei feti concepiti muore prima della nascita. - la sindrome di Patau: trisomia della tredicesima coppia, viene facilmente diagnosticata in quanto i bambini alla nascita mostrano una testa particolarmente piccola, orecchie malformate, sordità, palato non saldato, dita soprannumerarie e difetti cardiaci. Questa trisomia è molto rara: colpisce un neonato su 10.000-20.000 ed è più frequente nelle femmine. Altre patologie possono essere: - la sindrome di Klinefelter invece comporta la presenza nel patrimonio genetico di un cromosoma sessuale X soprannumerario, la 23ª coppia di cromosomi diventa XXY , e colpisce circa un neonato maschio su 800. Gli individui che ne sono colpiti presentano alla nascita dei testicoli molto piccoli; la crescita, pur con un diverso grado di ritardo mentale, è normale, ma alla pubertà non compaiono i tipici caratteri sessuali secondari come una voce dal tono più basso, i peli pubici, la barba e un corretto sviluppo dei testicoli e del pene. Alcuni individui conducono una vita normale e sembra che circa il 10% degli uomini siano inconsapevoli portatori della sindrome di Klinefelter. - un'anomalia numerica dei cromosomi sessuali che provoca difetti fisici più lievi è presente nei maschi XYY . I maschi affetti da questa patologia hanno 47 cromosomi, cioè un cromosoma Y in più, e presentano tutti un'altezza superiore alla media; la frequenza è di circa un individuo ogni 1000 nati di sesso maschile. - le donne che possiedono tre cromosomi X (sindrome della tripla X) sono generalmente alte, con ritardo mentale più o meno grave e predisposizione alle psicosi. Nella maggior parte dei casi, presentano cicli mestruali e sono fertili, ma hanno il 50% di probabilità di produrre ovuli con un cromosoma X soprannumerario e quindi di avere figli con anomalie cromosomiche. - le donne X0 sono affette dalla sindrome di Turner, associata alla presenza di 45 cromosomi: 22 coppie di autosomi e un solo cromosoma X. Questa sindrome è l'unico caso conosciuto di individui vitali con un cromosoma in meno. La sua frequenza fra le femmine nate vive è di 1 su 2000-2500, ma si tratta di una delle anomalie cromosomiche più frequentemente riscontrate negli aborti spontanei. Le femmine portatrici di questa sindrome hanno generalmente statura bassa, mostrano una tipica piega cutanea tra il collo e le spalle, inoltre non sviluppano i caratteri sessuali secondari femminili e generalmente sono sterili.