Duplicazione DNA, mitosi e meiosi - sintesi abbastanza approfondita, Schemi e mappe concettuali di Biologia Cellulare

Scarica Duplicazione DNA, mitosi e meiosi - sintesi abbastanza approfondita e più Schemi e mappe concettuali in PDF di Biologia Cellulare solo su Docsity! CICLO CELLULARE, DUPLICAZIONE DEL DNA E MITOSI LA REPLICAZIONE DEL DNA - Capitolo 17 Il materiale genetico contenuto nel nucleo della cellula parentale deve essere duplicato e distribuito nelle cellule figlie durante la divisione; si hanno eventi sovrapposti: divisione del nucleo (mitosi) e divisione del citoplasma (citocinesi). Protagonisti: cromosomi; essendo già avvenuta la divisione del DNA ogni cromosoma è formato da due coppie cromosomiche che rimangono unite tra loro fino alla divisione: i cromatidi fratelli. Mitosi solo una fase del ciclo cellulare : - la fase M; si ha poi interfase quando la quantità di DNA raddoppia. - Sintesi del DNA avviene durante un periodo preciso: fase S; - intervallo di tempo tra fase S e mitosi precedente si chiama fase G1 - quello che separa la fine della fase S con l’inizo fase M successiva e’ la fase G2. - alcune cellule escono dal ciclo cellulare in G1 ,entrando in fase G0. Questa può essere momentanea fino ad un segnale che ne induce di nuovo l’ingresso nel ciclo, oppure momentaneo. Modelli di replicazione del DNA - la replicazione e’ semiconservativa Modello di Watson e Crick: replicazione semiconservativa In ciascuna molecola figlia e’ conservata metà di quella parentale. Uno dei due filamenti di DNA neosintetizzato e’ parentale, l’altro e’ di nuova sintesi. Si hanno poi altri 2 modelli: Modello conservativo → doppia elica parentale rimane intatta e viene prodotta una seconda copia nuova Modello dispersivo→ nuovo filamento contiene miscuglio di segmenti vecchi e neosintetizzati. Esperimento di Meselson e Stahl - dimostrazione che replicazione DNA e’ semiconservativa Utilizzarono isotopi dell’azoto: 14N e 15N per distinguere filamenti di DNA neosintetizzati dai vecchi. Fecero crescere batteri in terreno contenente isotopo pesante 15N, cosicché fosse incorporato nel DNA neosintetizzato. Queste cellule furono poi trasferite in un terreno contenente 14N : i filamenti sintetizzati dopo il trasferimento avrebbero incorporato quest’ultimo e non 15N. In quanto DNA marcato con 15N e’ più denso dell’altro, i filamenti nuovi potevano essere distinti da quelli vecchi con una centrifugazione. Si fece dopo un ciclo di replicazione in 14N: si osservò un unica banda di DNA, la cui densità era intermedia tra quella del DNA-14N e DNA-15N. Non essendoci bande di DNA leggero, significava che nessun filamento era composto esclusivamente di DNA neosintetizzato, ma si aveva sia nuovo che vecchio. La replicazione del DNA e’ bidirezionale Meccanismo di replicazione di DNA circolare in cellule batteriche Vi sono strutture a forma di Y, sono siti in cui avviene la replicazione della doppia elica; sono forcelle di replicazione. Il processo inizia in un punto specifico, punti ori, e procede in senso bidirezionale allontanandosi dall’origine e copiando contemporaneamente i due filamenti. Al termine di un ciclo di replicazione i due anelli di DNA rimangono attaccati ed e’ ricchiesta una topoisomerasi per staccarli. In alcuni batteri le copie di cromosomi si legano alla membrana: mentre la cellula si prepara alla divisione viene aggiunta nuova membrana tra i due cromosomi: tramite scissione binaria la cellula viene divisa separando i due cromosomi nelle due cellule figlie. Nelle cellule batteriche la replicazione inizia da un’origine sola. Il DNA si lega ad una proteina iniziatrice la 9-mer che porta alla denaturazione del DNA; per stabilizzare i filamenti di DNA distesi, la proteina SSBP che si lega alle regioni denaturate. DNA lineare di cromosomi eucariotici Si hanno molteplici siti di inizio (punt ori) da cui si generano unità di replicazione, i repliconi. Dopo l’inizio della sintesi del DNA, questo viene sintetizzato a livello di due forcelle di replicazione in direzioni opposte, generando una bolla di replicazione. Quando la bolla di replicazione di un replicone crescendo, incontra quella adiacente, il DNA sintetizzato dei due si unisce; in questo modo il DNA sintetizzato in repliconi multipli alla fine viene unito a formare due doppi filamenti figli, ognuno composto da un filamento parentale e da un filamento di nuova sintesi. Quindi, anche qua si formano bolle i replicazione entrano in gioco proteine diverse: ORC, complesso di riconoscimento dell’origine, si lega all’origine di replicazione; il successivo componente che si lega e’ il complesso MCM (proteine di mantenimento del minicromosoma), che contiene DNA elicasi che facilitano la replicazione, denaturando la doppia elica. Si hanno poi i caricatori dell’elicasi, altre proteine che favoriscono l’ingresso dell’elicasi. Queste 3 insieme si uniscono a formare il complesso di pre-inizio. origine di replicazione→ sito di inizio della replicazione DNA-polimerasi: sintesi di DNA in direzione 5’ → 3’ Enzima che catalizza sintesi del DNA; enzima principale → catalizza aggiunta di nucleotidi Il nuovo filamento che viene sintetizzato si allunga verso 3’. Il nuovo nucleotide viene legato covalentemente all'estremità 3, dove c’e’ -OH libero; il nuovo nucleotide ha 3 gruppi fosfato di cui 1 serve per fare legame fosfodiesterico. Furono identificate altre forme di DNA polimerasi, alla quale furono date il nome usando i numeri romani II, III, IV e V: solamente la DNA polimerasi III lavora abbastanza velocemente per essere compatibile con la velocità della replicazione del DNA. accorcia un po’ durante la replicazione non si perdono informazioni importanti. Telomerasi→ enzima composto da proteine e RNA; DNA polimerasi speciale; catalizza formazione di copie addizionali della sequenza telomerica, compensando l’accorciamento che si verifica alle estremità del cromosoma durante replicazione. Porta all’estensione dei telomeri. L’ RNA associato all’enzima serve da stampo per la formazione della sequenza ripetuta di DNA che e’ aggiunta alle estremita’ telomeriche. Negli organismi multicellulari la telomerasi e’ attiva quasi esclusivamente nell cellule germinali: essa consente a queste cellule di dividersi senza che i telomeri si accorcino; nella maggior parte delle cellule la telomerasi e’ inattiva e ciò pone un limite al numero di volte in cui tale cellula può dividersi in quanto ad ogni divisione i telomeri diventano sempre più corti. CICLO CELLULARE E MITOSI - Capitolo 24 Il ciclo cellulare ha inizio con la formazione di due nuove cellule figlie da una parentale, e termina quando una di queste cellule si divide ancora in due cellule. Si hanno diverse fasi, precedentemente descritte (vedi inizio “replicazione del DNA”). Gli organismi unicellulari e alcuni organismi pluricellulari utilizzano la divisione cellulare per riprodursi (gemmazione, scissione), mentre negli organismi pluricellulari il meccanismo di divisione svolge un ruolo importante nella crescita dell’organismo e nella riparazione dei tessuti. La mitosi Può essere suddivisa in 5 fasi, distinguibili in base alle modificazioni dell’aspetto e del comportamento dei cromosomi: - profase - prometafase - metafase - anafase - telofase Profase Verso la fine della fase G2 inizia la condensazione dei cromosomi che passano dalla forma rilassata dell’interfase, alla forma compatta; una cellula e’ considerata in profase quando i singoli cromosomi si sono condensati fin al punto di essere visibili al microscopio. In questa fase ogni chromosoma e’ formato da 2 cromatidi fratelli attaccati tra loro. La posizione del centrosoma influenza la posizione del fuso mitotico nel corso delle divisione cellulare. Il centrosoma viene duplicato prima della mitosi, in genere durante la fase S; all’inizio dell profase i due centrosomi si separano e si spostano verso le estremità opposte del nucleo. All’interno dei centrosomi delle cellule animali (solo qui) si trovano una coppia di centrioli, piccole strutture cilindriche che contengono i microtubuli, tipicamente orientate ad angolo retto una rispetto all’altra. Mentre i centrosomi si allontanano, fungono da sito di nucleazione dei microtubuli, cosicché la regione compresa tra i due centrosomi si riempie di microtubuli che vanno a formare il fuso mitotico; questa e’ la struttura che, più tardi, distribuisce i cromosomi nelle cellule figlie. Prometafase L’inizio di questa fase è segnato dalla frammentazione delle membrane dell'involucro nucleare, che permette ai microtubuli del fuso di entrare in contatto con i cromosomi, ancora costituiti da cromatidi appaiati, a livello del centromero. Il DNA di ciascun centromero contiene sequenze CEN (semplici sequenze ripetute). Ulteriore caratteristica comune ai centromeri e’ la presenza di nucleosomi in cui l’istone H3 e’ sostituito da una proteina chiamata CENP-A; questa è importante per il reclutamento di proteine ai centromeri per formare il cinetocore, che attacca i cromatidi ai microtubuli del fuso mitotico (attua contatto tra cromosomi e fuso mitot). Successivamente le forze esercitate dai microtubuli del cinetocore sposta i cromosomi verso il centro della cellula (e del fuso). Cinetocore è un complesso multiproteico che ha una struttura piatta fatta di tre strati con proteine che servono a legare il centrosoma a livello del DNA centromerico. Quando il cinetocore non e’ attaccato si ha una struttura chiamata corona fibrosa; quando invece e’ attaccato questa forma un “cesto” che stabilizza l’attacco. La regione esterna del cinetocore contiene proteine in grado di legarsi alle estremità positive dei microtubuli. Nel fuso mitotico ci sono 3 tipo diversi di microtubuli: - microtubuli del cinetocore, prendono contatto diretto con i cromosomi , si collegano tramite cinetocore ai diversi cromosomi condensati - microtubuli interpolari, collegano un polo all’altro senza entrare in contatto con i cromosomi - microtubuli dell’aster, formano una struttura ad aster (a stella) intorno ai centromeri che prende contatto con la membrana plasmatica Metafase Si ha la metafase quando i cromosomi, ormai alla massima condensazione, sono allineati sulla piastra metafasica. Anafase Fase più breve di tutte; i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si separano e iniziano a muoversi verso i poli opposti del fuso. Si hanno 2 tipi di movimento: - anafase A→ i cromosomi vengono tirati verso i poli del fuso, mano a mano che i microtubuli diventano Si ha poi il coinvolgimento delle dineine citoplasmatiche che sono associate ai microtubuli astrali; queste dineine si muovono verso l'estremità negativa e spingono i poli del fuso mitotico verso le corteccia cellulare. La citocinesi Dopo che, durante l’anafase si sono separati i due corredi cromosomici, si ha la citocinesi nella quale il citoplasma si divide in due e il processo di divisione cellulare viene completato. In cellule animali il processo inizia con un invaginazione della superficie cellulare che, approfondendosi sempre di più, forma il solco di divisione: questo continua ad approfondirsi fino alla divisione della cellula. La posizione del fuso determina il punto in cui si divide il citoplasma. La divisione è dovuta ad un fascio di microfilamenti di actina , detto anello contrattile, che all’inizio dell’anafase forma una cintura sotto la membrana plasmatica. La forza per stringere l’anello è data dall’interazione con molecole di miosina. Mitosi- numero di cromosomi e ciclo cellulare ● nella fase G1 abbiamo 4 cromosomi che corrispondono a 4 molecole di DNA (in quel momento intendiamo come cromosoma un’unica molecola di DNA); ● nella fase S questo DNA si duplica, abbiamo ancora 4 cromosomi perché le due molecole di DNA che si sono originate dalla duplicazione rimangono unite e quindi ci rappresentano un unico cromosoma (sono tenute insieme dalle coesine). Se parliamo di molecole di DNA queste saranno raddoppiate, ogni cromosoma è formato da due molecole di DNA, quindi avremo 4 cromosomi e 8 molecole di DNA; ● nella fase G2 non abbiamo cambiamenti dal punto di vista del DNA, abbiamo ancora 4 cromosomi e 8 molecole di DNA; ● nella profase e prometafase, metafase abbiamo ancora 4 cromosomi e 8 molecole di DNA; ● all’anafase, quando abbiamo la separazione dei cromatidi fratelli, questi cromatidi diventano cromosomi a sé e quindi osserveremo 8 cromosomi che ancora si devono allontanare e arrivare ai poli opposti e 8 molecole di DNA; ● nel momento in cui sta la telofase e la citocinesi questi 8 cromosomi raggiungono ognuno una cellula che sarà quindi costituita da 4 cromosomi e 4 molecole di DNA. Punti di controllo del ciclo cellulare Ogni fase del ciclo deve essere completata correttamente prima che inizi la fase successiva. Il sistema di controllo deve essere in grado rispondere anche alle condizioni esterne che segnalano alla cellula di crescere e dividersi. Punti di controllo: determinano se la cellula può procedere con la fase successiva. Tutti gli eventi ai punti di controllo sono mediati da molecole correlate che vengono attivate o inibite. Cdk e cicline La progressione del ciclo cellulare è guidata da una serie di proteine chinasi ciclina dipendenti (Cdk) che mostrano attività enzimatica (fosforilazione) solo quando sono legate a proteine attivatrici, le cicline. Le Cdk sono sempre presenti nella cellula mentre le cicline vengono prodotte con regolari cicli di sintesi e degradazione; le Cdk ci sono sempre, quello che cambia e’ il tipo di ciclina che va ad attivarla. Esistono differenti Cdk che si legano a differenti cicline, generando quindi una varietà di complessi Cdk-ciclina. La concentrazione intracellulare delle cicline varia ciclicamente durante le diverse fasi del ciclo cellulare. TRANSIZIONE G2-M (complesso mitotico Cdk-ciclina) Le cicline richieste per la transizione G2-M e nelle prime fasi della mitosi sono chiamate cicline mitotiche e le molecole di Cdk a cui si legano sono dette Cdk-mitotiche. La Cdk mitotica è attiva come proteina chinasi solo quando è legata alla ciclina mitotica. La concentrazione della ciclina mitotica aumenta durante le fasi del ciclo cellulare fino a raggiungere una soglia critica per l’attivazione della Cdk mitotica. Consideriamo la transizione dalla fase G2 ad M, la fase di accrescimento e di preparazione e l’ingresso nella divisione vera e propria. Entra in gioco un complesso che si chiama MPF o complesso mitotico Cdk-ciclina. Se la progressione attraversi i punti critici del ciclo cellulare e’ controllata da un assortimento di diverse Cdk e cicline che interagiscono in varie combinazioni, come e’ regalata l'attività di questi complessi proteici? Un livello di controllo e’ esercitato dalla disponibilità di molecole di ciclina, necessarie per l’attivazione dell'attività protein chinasica delle Cdk, e un secondo tipo di regolazione e’ basato sulla fosforilazione delle stesse molecole di Cdk. MPF e’ complesso che induce l’entrata in mitosi, e viene sintetizzato solo al momento appropriato, avendo un picco massimo nella fase di transizione tra G2 e M, prima che la cellula entri nella mitosi vera e propria. Verso la metà della della mitosi, le molecole di ciclina mitotica sono distrutte: ne risulta il declino dell'attività della Cdk mitotica che a sua volta impedisce il verificarsi di un’altra mitosi fino che la concentrazione della ciclina mitotica non raggiunge di nuovo il picco durante il successivo ciclo cellulare. Come avviene l’attivazione della Cdk mitotica? Oltre a richiedere il legame alla ciclina, l'attivazione della Cdk coinvolge anche la fosforilazione e la defosforilazione della stessa. Appena la ciclina si lega alla Cdk il complesso e’ inattivato; per essere attivato (e indurre la mitosi) deve ricevere un gruppo fosfato attivatore (1). Prima dell'aggiunta di questo fosfato, una chinasi inibitori (enzima) fosforila il Cdk bloccando il sito attivo (2). Ora una chinasi attivatrice aggiunge il gruppo fosfato attivatore (in giallo) (3) . Infine vengono rimossi i fosfati inibitori da parte di una fosfatasi (4): quando l’enzima inizia a rimuovere i fosfati inibitori, avviene una reazione che porta all’attivazione della Cdk. Si ha la Cdk mitotica attivata, che stimola la fosfatasi, causando un’accelerazione del processo di attivazione. Una volta che il complesso Cdk-ciclina è stato attivato, la sua attività di proteina chinasi induce l’entrata nella mitosi. Questo complesso mitotico attivo, cosa andrà a promuovere? Andrà a promuovere tutti quegli eventi che comportano il superamento del punto di controllo G2 e la transizione a M, quindi l’entrata in mitosi. Come prima cosa inizierà la condensazione dei cromosomi, abbiamo visto la degradazione dell’involucro nucleare (perché l’involucro nucleare si disassembli e si debbano disassemblare anche le lamine al di sotto dell’involucro nucleare, queste richiedono la fosforilazione che è mediata da complesso Ckd mitotica ciclina). Altre attività che andrà a promuovere sono anche tutti quegli eventi che portano alla progressione del ciclo cellulare, avremo poi la formazione del fuso mitotico e anche la degradazione di alcune proteine bersaglio. Complesso che promuove l’anafase Il complesso che promuove l’anafase permette l’uscita dalla mitosi. Il complesso Cdk-ciclina esercita la propria influenza quando viene presa la decisione di sepaare i cromatidi fratelli all’inzio dell’anafase, attivando il complesso che promuove l’anafase: è un complesso multiproteico che controlla le fasi finali della mitosi. E’ una ubiquitina ligasi, enzima che indirizza specifiche proteine alla degradazione legandole all’ubiquitina. Il complesso che promuove l’anafase è un complesso multiproteico che controlla le fasi finali della mitosi. Ma perché è importante collocare un punto di controllo proprio all’interno della mitosi? In questo punto si verifica l’aggancio dei cromosomi ai microtubuli ed è importante che tutti i microtubuli possano collegarsi ai diversi cromosomi per la segregazione dei cromosomi all’interno delle due cellule figlie. Il mancato aggancio di un cromosoma ai microtubuli del fuso comporterebbe anche il sovrannumero di cromosomi da una parte e la mancanza di un cromosoma dall’altra. Gli eventi che occorrono tra metafase e anafase sono l’aggancio del cromosoma alla metafase con i microtubuli del fuso, e abbiamo visto che la connessione deve essere tale che il cromosoma prende contatto con i microtubuli che provengono da un polo della cellula e anche dall’altro polo della cellula. Il fatto che venga attirato con diversi movimenti da entrambe le estremità fa si che il cromosoma si posizioni sulla piastra metafasica in metafasi. Per passare nella fase successiva che comporta la separazione dei cromatidi fratelli, che ora potremmo chiamare cromosomi, questi migrano a due poli opposti implicando la degradazione di proteine (coesine) che tengono uniti i due cromosomi fino alla metafase. Perché possano separarsi i cromatidi fratelli entra in gioco la separasi che andrà a degradare la coesina tra i due cromatidi fratelli separandoli. Al punto di transizione metafase-anafase, l’attivazione del complesso che promuove l’anafase innesca una via di degradazione proteolitica che da’ inizio alla separazione dei cromatidi e indirizza la ciclina mitotica alla degradazione. La conseguente inattivazione della Cdk mitotica porta agli eventi associati all’uscita dalla mitosi, inclusi la citocinesi, la decondensazione della cromatina e il riassemblaggio dell’involucro nucleare. Le vie di checkpoint controllano le condizioni presenti all’interno della cellula e arrestano temporaneamente il ciclo cellulare se tali condizioni non sono adeguate per procedere. Il checkpoint della replicazione del DNA controlla lo stato della replicazione del DNA per assicurare che la sintesi del DNA sia completata prima di permettere alla cellula di uscire dalla fase G2 e di entrare in mitosi. L’autorizzazione alla replicazione del DNA assicura che la replicazione avvenga solo una volta per ciclo cellulare. La proteina p53 riveste un ruolo centrale in una serie di checkpoint dei danni al DNA, che arrestano il ciclo cellulare in vari punti se sono rilevati dei danni al DNA. Infine, un complesso che promuove l’anafase e’ coinvolto nel checkpoint del fuso, che assicura che i movimenti anafasici dei cromosomi non abbiano inizio prima che i cromosomi si siano attaccati al fuso. MEIOSI - Capitolo 25 Nella mitosi la cellula mira a dividersi in due cellule figlie che sono identiche alla cellula di partenza; quindi, una divisione che in un organismo pluricellulare ha la funzione di accrescere questo individuo, riparare dei tessuti danneggiati… Un altro tipo di divisione è la meiosi, finalizzata alla riproduzione sessuale; questa permette il mescolamento dell’informazione genetica dei due organismo parentali e genera quindi una progenie di individui geneticamente diversi sia tra loro sia dai genitori. Cellula diploide: contiene 2 copie del genoma; 2n hanno due assetti cromosomici aploidi (n), ciascuno dei quali deriva da un genitore Cromosomi omologhi: membri di ciascuna coppia di cromosomi che portano in genere gli stessi geni (infomazioni simili) nello stesso ordine, sebbene potrebbero avere sequenze di basi leggermente diverse. Quindi i cromosomi con gli stessi geni che si appaiano tra loro sono detti omologhi. Gli alleli Ciascun omologo può contenere alleli diversi per gli stessi geni. ● Omozigote: gli alleli allo stesso locus genico sono uguali. ● Eterozigote: gli alleli allo stesso locus genico sono diversi. Allele dominante: allele che si esprime anche in eterozigosi. Guardando due cromosomi omologhi, quindi hanno una sequenza degli stessi geni: il gene A, il gene b e il gene C, uno che codifica per un proteina, uno che ne codifica per un’altra…. Le sequenze possono essere uguali A-A o diversi, C-c, significa che ci sono delle piccole differenze nella sequenza nucleotidica che ci fanno indicare questi due geni in maniera diversa e li chiamiamo forme alleliche, cioè forme differenti dello stesso gene. La meiosi Divisione che avviene nelle cellule diploidi (2n) che sono destinate a produrre cellule aploidi (n), che chiamiamo gameti. Perché il numero di cromosomi rimanga costante di generazione in generazione (non raddoppiare il corredo ad ogni generazione), durante la formazione dei gameti deve avvenire un tipo diverso di divisione cellulare. In questo tipo particolare di divisione detto meiosi, il numero dei cromosomi viene ridotto da diploide (2n) ad aploide (n). La meiosi prevede un ciclo di replicazione del DNA cromosomico seguito da 2 divisioni nucleari successive: si formano 4 nuclei figli, ciascuno con un corredo cromosomico aploide. (la meiosi converte una cellula diploide in quattro cellule aploidi) ● Meiosi I: divisione riduzionale poiché il numero di cromosomi in ciascuna cellula figlia è la metà (n) rispetto alla cellula da cui hanno avuto origine (2n); ogni cromosoma è costituito da 2 cromatidi fratelli. ● Meiosi II: divisione equazionale; i cromatidi fratelli si separano, originando gameti con corredo aploide. MEIOSI I Incominciamo a vedere le fasi della meiosi I, quando la cellula inizia il processo di divisione,parleremo di profase I, metafase I, anafase I e telofase I. Profase I I cromosomi omologhi si appaiano (bivalenti) e formano le sinapsi. I bivalenti sono formati da due cromosomi e quattro cromatidi, con un cromosoma derivante da ciascun genitore. Fase molto complessa, che prevede una serie di eventi: ● Leptotene ● Zigotene ● Pachitene ● Diplotene ● Diacinesi Leptotene I cromosomi diventano visibili, non sono distinguibili i cromatidi fratelli; ancora visualizziamo l’involucro nucleare , i cromosomi che si sono duplicati durante la fase S iniziano a condensarsi. Zigotene Continua la condensazione, i cromosomi omologhi si appaiano mediante il processo di sinapsi formando i bivalenti: la formazione dei bivalenti e’ importante in quanto la stretta vicinanza dei cromosomi omologhi consente lo scambio di segmenti di DNA attraverso il crossing-over. Questo appaiamento che inizia con lo zigotene porta la formazione di un complesso sinaptinemale, cioè un complesso proteico che è come una cerniera che piano piano porterà ad appaiare i cromosomi. Pachitene Continua il processo di condensazione dei cromosomi, può avvenire il crossing-over, quindi cromosomi omologhi possono scambiare tratti di DNA; sono stati scambiati cromosomi omologhi, e’ uno scambio reciproco e il cromatiche ha subito il crossing over e’ detto cromatide ricombinante. Diplotene I cromosomi cominciano a separarsi, nella zona del centromero; si evidenzia così l’esito del processo di crossing- over, con la formazione di strutture cruciformi, dette chiasmi. La formazione del chiasma è indice della ricombinazione genetica (crossing-over). Diacinesi I cromosomi si condensano in uno stato di massimo impacchettamento, ulteriore contrazione dei cromosomi. I centromeri dei cromosomi omologhi si separano ulteriormente e i chiasmi restano gli ultimi punti di contatto tra gli omologhi. In questo stadio avvengono i processi che segnano la fine della profase I: scomparsa dei nucleoli, formazione del fuso, frammentazione dell’involucro nucleare. Vediamo più da vicino il complesso sinaptinemale Qui vediamo un po' più nel dettaglio questo complesso sinaptonemale, questa cerniera che tiene insieme i due cromosomi omologhi che sono colorati di solito con colori diversi per farci vedere i due cromosomi che dalla cellula di partenza deriveranno uno dall’origine materna e l’altro dall’origine paterna. Ognuno di questi è costituito da due cromatidi fratelli, quindi, derivano dalla duplicazione del DNA che è avvenuta nella fase S e sono tenuti insieme da questo complesso sinaptinemale. Questo complesso che porta l'appaiamento lo definiamo bivalente o tetrade: bivalenti perché costituiti da due cromosomi omologhi o tetradi pensando che sono costituiti da due cromosomi= quattro cromatidi. Queste proteine da una parte agganciano un cromosoma, dall’altro un altro cromosoma e poi abbiamo proteine di connessione che legano questo scaffold proteico. Prometafase I ● Scompaiono la membrana nucleare e i nucleoli. ● Il fuso meiotico che si è formato tra le coppie di centrioli occupa l’area nucleare. sulla piastra metafasica e ogni cinetocore prende contatto con le fibre che provengono dai due lati della cellula e quindi abbiamo la separazione dei due cromatidi fratelli. I cromatidi fratelli puntano in direzioni opposte. Differenze tra anafase mitotica e anafase meiotica Abbiamo visto nella mitosi che entrano in gioco le coesine nel tenere insieme i cromatidi fratelli, vediamo in che modo entrano in gioco nella meiosi. Di fatto ci sono anche qui le coesine, ma ci sono anche altre proteine che si chiamano shugoshin ( termine giapponese: anima protettrice) che proteggono le proteine di coesione nei centromeri dei cromatidi fratelli durante la meiosi I dalla degradazione da parte della separasi. Nella metafase I abbiamo le tetradi appaiate e le coesine che tengono insieme i cromatidi fratelli, è importante che i cromatidi fratelli si separino in cromosomi omologhi, abbiamo la degradazione di una parte delle coesine che sono a livello del centromero che tengono ancora i cromatidi fratelli all’anafase I. Le shugoshin che preservano dalla degradazione le coesine a livello del centromero, siamo alla separazione dei cromosomi omologhi. Nella metafase II vengono degradate tutte le coesine, le shugoshin non ci sono più e abbiamo la separazione dei cromatidi fratelli. Conseguenze e significato della meiosi ● Riduzione a metà del numero cromosomico da 2n a n, questo perché ogni gamete eredita una copia di ogni cromosoma. ● Rimescolamento del patrimonio ereditario mediante l’assortimento casuale dei cromosomi omologhi alla prima divisione meiotica e anche con l’assortimento casuale dei cromatidi fratelli alla seconda divisione meiotica. ● Nuove combinazioni di cromosomi nei gameti. ● Scambio di segmenti tra cromatidi omologhi mediante il crossing over e si possono avere nuove combinazioni di geni nei cromosomi. ASSORTIMENTO INDIPENDENTE ALLA PRIMA DIVISIONE MEIOTICA Relativamente all’assortimento casuale dei cromosomi fa l’esempio di un corredo cromosomico in cui n è uguale a 23 (uomo). Se noi guardiamo una cellula umana, quante possibili combinazioni possono essere generate semplicemente dall’assortimento casuale e indipendente di questi 23 cromosomi omologhi? Per calcolarlo bisogna fare di ogni doppia combinazione relativa a ciascun cromosoma, quindi 2 elevato alla 23° = 223 (I mattoncini ci indicano in base al colore se sono cromosomi di origine materna o paterna.) ASSORTIMENTO CASUALE ALLA SECONDA DIVISIONE MEIOTICA In questo esempio prendendo in considerazione solo due coppie di cromosomi vediamo che alla segregazione di questi due cromosomi nella seconda divisione possiamo avere da una parte cellule che possono ricevere soltanto i cromatidi parentali e quelli ricombinanti, o anche la combinazione un parentale-un ricombinante e un ricombinante-un parentale. ASSORTIMENTO INDIPENDENTE E VARIABILITÀ GENETICA Sebbene ai tempi di Mendel i cromosomi non fossero ancora stati scoperti, le sue leggi dell'ereditarietà descrivono le conseguenze genetiche del comportamento dei cromosomi durante la meiosi. La legge della segregazione di Mendel afferma che i due alleli (materni e paterni) di un gene sono entità distinte che durante la meiosi segregano in gameti diversi. La legge dell’assortimento indipendente afferma che gli alleli di ciascun gene si separano indipendentemente dagli alleli di altri geni (ora sappiamo che vale solo per geni situati su cromosomi diversi o che si trovano a grande distanza sullo stesso cromosoma). La variabilità genetica dei gameti prodotti da un organismo deriva in parte dell'assortimento indipendente dei cromosomi durante l’anafase I e in parte dalla ricombinazione che ha luogo nella profase I. La frequenza di ricombinazione fra due geni situati sullo stesso cromosoma e’ una misura della distanza fra i due geni e può quindi essere usata per mappare la loro posizione sul cromosoma. I TESSUTI Le cellule nel loro contesto sociale I tessuti costituiscono gli equivalenti macroscopici delle singole cellule: ● I tessuti sono il livello successivo più alto di organizzazione negli organismi pluricellulari. ● Poiché i tessuti sono composti di cellule, anch’essi sono governati dagli stessi principi, che possono essere aggiustati ad una scala più ampia. ORGANIZZAZIONE GERARCHICA: ● Tutte le cellule del nostro corpo sono organizzate in tessuti. ● I tessuti formano gli organi. ● Gli organi a loro volta sono riuniti in sistemi e apparati. I tessuti Il differenziamento cellulare porta alla formazione di tessuti; nel corpo di tutti i mammiferi ci sono quattro tipi di tessuti: ● Epiteliale: forma barriere protettive, semipermeabili tra compartimenti ● Connettivo: conferisce resistenza meccanica ed ammortizzamento ● Muscolare: converte segnali chimici in forza meccanica ● Nervoso: conserva e trasmette informazioni come carica elettrica. TESSUTO EPITELIALE Le cellule epiteliali hanno una polarità strutturale; ● Analogia con le membrane cellulari: - Polarità strutturale - Barriera semipermeabile ● Funzione di: protezione, secrezione, trasporto ed assorbimento. ● Le cellule epiteliali contengono strutture specializzate che le aiutano a formare forti legami tra loro e con la matrice extracellulare. Viene classificato in base alla struttura e alla funzione; il tessuto epiteliale può essere monostratificato o pluristratificato. Caratteristiche dell’epitelio: ● cellule strettamente connesse ● presenza membrana basale ● capacità di rinnovamento ● assenza vasi sanguigni Gli epiteli in base alla funzione svolta si distinguono in: ● epiteli di rivestimento (della superficie corporea o di cavità interne) Funzione: protezione e/o assorbimento di composti chimici ● epiteli ghiandolari Funzione: elaborazione e secrezione di sostanze ● epiteli sensoriali Funzione: captazione e trasmissione di segnali (es. cellule gustative, acustiche) che vengono trasmessi al sistema nervoso ● epiteli particolarmente differenziati con particolari caratteristiche: smalto dei denti, fibre del cristallino, annessi cutanei (peli e capelli, unghie) Alcuni tessuti epiteliali sono ottimizzati per la protezione: l’epidermide e la pelle. Alcuni tessuti epiteliali sono ottimizzati per l’assorbimento: il sistema gastrointestinale Epitelio colonnare semplice Fossette gastriche.Strato di muco protettivo. Alcuni tessuti epiteliali sono ottimizzati per il trasporto: il rene Le cellule epiteliali renali usano proteine trasportatrici (pompe, trasportatori e canali) per spostare materiali fuori o dentro la circolazione sanguigna. Tessuti epiteliali ghiandolari I tessuti epiteliali ghiandolari derivano dal tessuto epiteliale di rivestimento; ● ghiandole esocrine: la secrezione avviene tramite dotti escretori che sfociano sulla superficie esterna del corpo o in cavità che comunicano con l’esterno ● ghiandole endocrine: la secrezione avviene direttamente all’interno dei vasi sanguigni (che rappresentano un ambiente interno). Il secreto di queste ghiandole è detto ormone. Specializzazioni cellulari ● Giunzioni occludenti: regolano il passaggio di sostanze tra le cellule; creano un sigillo impermeabile tra cellule. ● Giunzioni aderenti, desmosomi: ancorano il citoscheletro alla superficie cellulare. Aumentano la resistenza meccanica. ● Giunzioni comunicanti: consentono il passaggio di piccole molecole e variazioni di potenziale elettrico tra cellule vicine. Altre specializzazioni regolano il passaggio di sostanze attraverso le cellule (villi, polarizzazione di espressione,fenestrae) Giunzioni aderenti Sono formate dalle proteine E-caderina e catenina legate al citoscheletro di actina tramite vinculina ed 𝛼-actina. Tengono unite le cellule epiteliali adiacenti in presenza di Ca 2+ extracellulare. Il citoscheletro di actina è ispessito in corrispondenza di queste strutture, e si continua nella trama terminale al di sotto della membrana apicale. Le caderine Grande famiglia di glicoproteine che mediano l’adesione cellulare calcio-dipendente e trasmettono segnali dalla MEC al citoplasma. Le caderine uniscono fra loro cellule dello stesso tipo legando preferenzialmente caderine uguali presenti sulla superficie di cellule adiacenti. Infatti, le caderine possono rappresentare il fattore più importante nell’unire le cellule in tessuti coesivi nell’embrione e nel mantenerle insieme nell’adulto. Presentano una struttura modulare. I membri meglio caratterizzati sono la E-caderina (epiteliale), la N-caderina (neurale) e la P-caderina (placentare). Giunzioni aderenti e desmosomi I desmosomi sono formazioni discoidali costituite dalle proteine extracellulari desmocollina e desmogleina (caderine specializzate) legate ai filamenti intermedi del citoscheletro tramite placche di adesione. Negli epiteli di origine ectodermica ed endodermica i filamenti sono di cheratina. Conferiscono grande resistenza meccanica, quindi sono abbondanti nei tessuti sottoposti a stress meccanici (muscolo cardiaco, strati epiteliali della cute e della cervice uterina). Giunzioni occludenti ● Sono formate dalle proteine claudina, occludina e molecole di adesione giunzionale (JAM) legate al citoscheletro di actina F. ● Presenti all’estremità apicale del complesso giunzionale che si forma fra cellule epiteliali adiacenti ● Formano “palizzate” che rendono difficile ad acqua e soluti attraversare lo spazio intercellulare. ● Tipi diversi di claudine fanno passare soluti diversi. ● Epiteli “a tenuta” (es. vescica urinaria) e “a perdita” (es. tubuli renali) hanno zonulae occludentes di spessore diverso. Gli emidesmosomi Sono localizzati alla base delle cellule epiteliali in contatto con il connettivo; sono morfologicamente simili ai desmosomi, e danno stabilità meccanica. La componente extracellulare è costituita da integrine, laminine e collagene di tipo IV e VII; sono ancorati al collagene della matrice connettivale. Il muscolo cardiaco ha il compito di pompare il sangue; Le giunzioni comunicanti permettono il passaggio di ioni da una cellula altra, permettendo la trasmissione del potenziale d’azione tra cellule molto rapidamente. Le cellule muscolari lisce generano forze nelle tre direzioni: il muscolo liscio forma uno strato contrattile intorno a quasi tutti i vasi sanguigni ad eccezione dei più piccoli. • Funzione di controllare il flusso sanguigno attraverso i vasi e la pressione. • Funzione di controllo del flusso di aria nelle vie aeree. • Peristalsi intestinale. IL TESSUTO CONNETTIVO I tessuti connettivi conferiscono resistenza meccanica e ammortizzamento; Il termine “tessuto connettivo” si riferisce ad una grande varietà di tessuti che nell’insieme riempono gli spazi tra i tessuti epiteliale, nervoso e muscolare. In molti casi è caratterizzato dal tipo e dall’organizzazione della matrice extracellulare che contiene. La maggior parte dei tessuti connettivi viene suddivisa in 5 tipi, caratterizzati da differenti cellule che secernono e organizzano la ECM. E’ una “colla” che tiene insieme le cellule e i tessuti. Le cellule (fibroblasti) sono ben separate le une dalle altre dalla presenza di abbondante sostanza interposta fra di esse (sostanza intercellulare o fondamentale o matrice). La matrice viene sintetizzata e secreta dalle cellule del tessuto connettivo e contiene: ● fibre di collagene (proteina collagene) ● fibre elastiche (proteina elastina) ● fibre reticolari (collagene e glicoproteine) queste sono immerse in una soluzione di mucopolisaccaridi (acido ialuronico) e proteine. Il tessuto connettivo avvolge e si insinua tra le formazioni costituite dagli altri tessuti (sostegno e protezione dei vari organi, contribuisce ai processi di ricambio e nutrizione cellulare). ORGANIZZAZIONE MACROMOLECOLARE DELLA MATRICE EXTRACELLULARE Le proteine fibronectina, collagene e laminina contengono siti di legame reciproco e siti di legame per recettori (integrine) situati sulla superficie della cellula. I proteoglicani sono enormi complessi proteici che occupano gran parte del volume dello spazio extracellulare. ….. LE FIBRE DI COLLAGENE SONO ORGANIZZATE IN FASCI Collagene: ● elevata resistenza meccanica ● legami idrogeno tra catene-𝛼 danno stabilità alle fibrilline ● le fibrille di collagene sono organizzate in fasci, conferendo resistenza alla trazione L’elastina conferisce elasticità e flessibilità alla matrice extracellulare PROTEOGLICANI Resistenza alla compressione; Un proteoglicano consiste di un nucleo proteico al quale sono attaccate covalentemente catene di glicosamminoglicani. A causa delle cariche negative dei gruppi solfato dei GAG, i proteoglicani sono in grado di legare un enorme numero di cationi, che a loro volta attirano una gran quantità di molecole d’acqua. Come risultato, i proteoglicani formano un gel poroso ed idratato che riempie gli spazi extracellulari, come un materiale da imballaggio e resiste alle forze di compressione. CARATTERISTICHE DEL TESSUTO CONNETTIVO Contiene ECM ben organizzata per: ● formare legami stabili tra cellule vicine ● controllare la localizzazione e funzione delle cellule ● fornire un mezzo per le comunicazioni tra cellule Ci sono 5 tipi di tessuto connettivo: ● lasso ● denso ● elastico ● reticolare ● adiposo Come fanno le cellule a diventare così diverse tra loro? ● processi di differenziamento indotti da complesse sequenze di interazione cellula-ambiente ● effetti di posizione ● induzione tissutale CENNI DI SVILUPPO EMBRIONALE Le prime divisioni cellulari dell’embrione (fino al 5° giorno) producono una struttura omogenea (morula). Le cellule della morula (blastomeri) sono totipotenti: possono generare cellule di qualunque tipo. Fase di impianto: dopo circa 6 giorni l’embrione arriva all’utero, e si impianta nella mucosa; le cellule embrionali si differenziano in due gruppi: ● trofoblasto (formerà gli annessi embrionali necessari per il nutrimento) ● nodo embrionario (formerà l’embrione vero e proprio) Si crea una cavità (blastocele) tra trofoblasto e nodo embrionale. L'annidamento della blastocisti nella parete dell’utero (endometrio) avviene a circa una settimana dalla fecondazione per digestione delle cellule della mucosa uterina ad opera di enzimi. Gastrulazione Il disco embrionale si trasforma da bi a trilaminare, con tre strati germinativi detti endoderma, mesoderma ed ectoderma. La parete del sacco vitellino forma una tasca vascolarizzata chiamata allantoide. Differenziamento: L'ENDODERMA darà origine a: ● apparato respiratorio ● digerente e ghiandole ad esso annesse (fegato, pancreas) ● parte dell’apparato urinario Il MESODERMA darà origine a: ● muscolatura ● apparato urogenitale ● vasi sanguigni e sangue ● ossa L’ECTODERMA darà origine a: ● epidermide e annessi cutanei (capelli, unghie, gh. sudoripare e sebacee) ● porzioni di organi di senso ● sistema nervoso DETERMINAZIONE DEL FATO CELLULARE Durante lo sviluppo embrionale, per ciascun tipo cellulare esiste una serie di decisioni di determinazione del fato. Quando una popolazione cellulare ha determinato il suo fato, non è più totipotente; le decisioni di determinazione sono complesse e basate su fattori di crescita; la vicinanza di altre popolazioni cellulari può influenzare il fato.