Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

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1 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà Missione di soccorso nelle foreste pluviali La divisione cellulare è il processo fondamentale alla base della riproduzione degli organismi. Nel 2002 una missione di soccorso molto speciale fu tentata nella foresta pluviale hawaiana. L obiettivo era salvare l ultimo esemplare sopravvissuto allo stato selvatico di Cyanea kuhihewa, una pianta appartenente alla famiglia delle campanule. Per salvare la pianta dall estinzione i botanici della squadra di soccorso tentarono di favorirne la riproduzione sessuata. Con un pennellino, trasferirono il polline contenente le cellule spermatiche di una pianta coltivata sul fiore selvatico contenente le cellule uovo. Se cellula spermatica e cellula uovo si uniscono nella fecondazione, l uovo fecondato può poi dividersi, formare un embrione e infine un seme. Dopo la germinazione del seme, l embrione può svilupparsi in una giovane pianta e poi in un esemplare adulto. 146 B ereditarietà ed evoluzione

2 1 La divisione cellulare e la riproduzione 8.1 Il simile genera (più o meno) il simile 8.2 Una cellula può nascere soltanto da un altra cellula 8.3 I procarioti si riproducono per scissione binaria Obiettivi comprendere il ruolo della divisione cellulare negli organismi procarioti ed eucarioti conoscere le diverse fasi del ciclo cellulare e della mitosi capire come avviene il controllo del ciclo cellulare e come si generano i tumori Purtroppo, il tentativo di fecondare la campanula fallì e l ultimo esemplare selvatico morì nel I botanici stanno ora tentando di salvare la specie ricorrendo alla riproduzione asessuata; il loro scopo è quello di ottenere nuove piante da un solo genitore utilizzando talee, cioè porzioni di tessuti, di piante selvatiche raccolte negli anni novanta del secolo scorso. Sia nel caso della riproduzione sessuata, sia in quello della riproduzione asessuata, i nuovi organismi si sviluppano in seguito a ripetute divisioni cellulari. Anche uova e cellule spermatiche derivano da una divisione cellulare di tipo speciale. conoscere il processo che porta alla formazione dei gameti negli organismi a riproduzione sessuata comprendere quali sono i fattori da cui dipende la variabilità genetica delle popolazioni a riproduzione sessuata comprendere in che modo possono verificarsi alterazioni nel numero e nella struttura dei cromosomi e quali conseguenze possono derivarne 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi 8.4 I cromosomi degli eucarioti sono strutture complesse che si duplicano prima di ogni divisione cellulare 8.5 Il ciclo cellulare è l'insieme degli eventi tra una divisione cellulare e la successiva 8.6 esplorando La divisione cellulare è una serie ininterrotta di cambiamenti dinamici 8.7 La citodieresi avviene in modo diverso nelle cellule animali e in quelle vegetali 8.8 La divisione cellulare è influenzata da fattori di crescita, dalla densità e dall ancoraggio a una superficie 8.9 I fattori di crescita controllano il ciclo cellulare 8.10 salute Le cellule cancerose si dividono senza controllo generando tumori maligni 8.11 In sintesi: negli organismi pluricellulari la mitosi è fondamentale per la crescita, la sostituzione delle cellule e la riproduzione asessuata 3 La meiosi e il crossing over 8.12 I cromosomi formano coppie omologhe 8.13 I gameti hanno un unico corredo cromosomico 8.14 esplorando La meiosi riduce il numero cromosomico portandolo da diploide (2n) ad aploide (n) 8.15 Mitosi e meiosi presentano importanti analogie e differenze 8.16 La variabilità genetica della prole dipende dalla disposizione dei cromosomi nella meiosi e dalla casualità della fecondazione 8.17 Sui cromosomi omologhi si trovano versioni diverse dello stesso gene 8.18 Il crossing over aumenta ulteriormente la variabilità genetica 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi 8.19 Il cariotipo è la ricostruzione fotografica del corredo cromosomico di un individuo 8.20 salute Una copia in più del cromosoma 21 causa la sindrome di Down 8.21 Un numero errato di cromosomi può dipendere dalla mancata disgiunzione degli omologhi nella meiosi 8.22 evoluzione Gli errori nella divisione cellulare non sono sempre dannosi e possono portare alla comparsa di nuove specie 8.23 Le alterazioni nella struttura dei cromosomi possono causare difetti congeniti e tumori 147

3 Lezione 1 La divisione cellulare e la riproduzione Pearson Italia S.p.A. 8.1 Il simile genera (più o meno) il simile La capacità di riprodursi è una delle caratteristiche che meglio distinguono gli esseri viventi dai non viventi. Un ameba può generare soltanto altre amebe, gli esseri umani possono generare soltanto altri esseri umani, un acero può generare soltanto altri aceri. Questo aspetto così ovvio è noto da migliaia di anni e si può efficacemente riassumere nella massima «il simile genera il simile». In senso stretto, questo è però vero soltanto per gli individui che compiono una riproduzione asessuata, ossia quelli che si riproducono senza ricorrere a cellule uovo e spermatozoi. Per riprodursi, gli organismi unicellulari come l ameba della Figura 8.1A duplicano i propri cromosomi (ovvero le strutture contenenti gran parte del DNA cellulare). Dopo la duplicazione, i cromosomi identici migrano ai poli opposti della cellula madre. Quando quest ultima si divide, le due amebe figlie risultanti saranno geneticamente identiche alla cellula madre e tra loro. Nella riproduzione asessuata il principio di ereditarietà è semplice: i figli ereditano il DNA di un solo genitore, di cui sono copie esatte. La fotografia della famiglia nella Figura 8.1B dimostra che, nelle specie con riproduzione sessuata come la nostra, il simile non genera esattamente il simile. I figli nati dalla riproduzione sessuata di solito somigliano ai loro genitori più di quanto somiglino ad altri individui della stessa specie con cui non sono imparentati; tuttavia non sono identici né ai genitori né tra loro. Ogni figlio eredita dai genitori una combinazione esclusiva di geni alla quale corrisponde una combinazione ugualmente esclusiva dei caratteri somatici. Di conseguenza, la riproduzione sessuata può determinare ampie variazioni nella prole. Ciascuno di noi probabilmente somiglia ai propri genitori molto più che a un estraneo; d altra parte, noi non siamo esattamente identici a nessuno dei nostri genitori e a nessuno dei nostri fratelli (con l eccezione dei gemelli identici). Figura 8.1B La riproduzione sessuata produce individui con una combinazione di geni esclusiva. In passato non si sapeva nulla dei geni e dei cromosomi, né dei principi fondamentali dell ereditarietà dei caratteri; era noto però che gli individui delle specie che si riproducono per via sessuata presentano una grande varietà di caratteri. Inoltre, gli esseri umani avevano imparato a selezionare varietà di piante e razze di animali domestici, controllandone la riproduzione. Le razze domestiche possiedono alcune caratteristiche che gli allevatori hanno selezionato tra quelle molto variabili che caratterizzavano in origine le specie addomesticate. Di conseguenza, sebbene tutti i cani domestici appartengano a una stessa specie, ogni razza presenta, a causa della selezione operata dagli allevatori, una variabilità di caratteri molto ristretta rispetto alla specie nel suo complesso. Per ottenere le diverse razze di cani domestici, gli allevatori hanno selezionato, tra una grande varietà di cani, particolari individui con tratti specifici permettendo loro di incrociarsi e riprodursi. In un certo senso, l allevamento selettivo è un tentativo di mettere in pratica la massima «il simile genera il simile» più di quanto avvenga in natura. Figura 8.1A Un ameba si divide per via asessuata in due cellule figlie geneticamente identiche. LM Perché il detto «il simile genera il simile» si applica alla riproduzione asessuata meglio di quanto si possa applicare alla riproduzione sessuata? 148 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

4 8.2 Una cellula può nascere soltanto da un altra cellula Nel 1858 il medico tedesco Rudolf Virchow formulò un importante principio della biologia: ogni cellula deriva da una cellula preesistente. Come molte altre importanti idee che oggi diamo per scontate, il principio di Virchow appare al tempo stesso semplice e profondo: il perpetuarsi della vita, compresi tutti gli aspetti della riproduzione e dell ereditarietà, si basa sempre sulla riproduzione delle cellule, indicata comunemente come divisione cellulare. La divisione cellulare è sempre alla base dello sviluppo di nuovi organismi. Nelle forme unicellulari, come le amebe, coincide con la riproduzione dell intero organismo; in alcune specie pluricellulari permette la riproduzione per via asessuata (come la generazione di nuove piante dalle talee). Nella riproduzione sessuata, la divisione cellulare è alla base del processo di formazione delle cellule uovo e degli spermatozoi. Essa permette inoltre agli organismi pluricellulari di svilupparsi in un organismo adulto a partire da una singola cellula: l uovo fecondato, o zigote. Le cellule continuano a dividersi anche nell individuo adulto: in tal caso il processo è finalizzato al rinnovamento e alla riparazione dei tessuti, permettendo la sostituzione delle cellule che muoiono per deterioramento o in seguito a eventi accidentali. Finora abbiamo parlato solamente della divisione delle cellule eucariote, su cui ci soffermeremo ampiamente in questa unità. Anche i procarioti, tuttavia, seguono il principio di Virchow, come vedremo nel prossimo paragrafo. Quali sono le funzioni svolte dalla divisione cellulare negli organismi pluricellulari? 8.3 I procarioti si riproducono per scissione binaria I procarioti (eubatteri e archebatteri) si riproducono mediante un tipo di divisione cellulare chiamato scissione binaria (cioè a metà ). In un procariote, la maggior parte dei geni è contenuta in una molecola circolare di DNA che, associata ad alcune proteine, costituisce l unico cromosoma dell organismo. Anche se il cromosoma di un procariote è più piccolo dei cromosomi degli eucarioti, la duplicazione del DNA e la distribuzione delle copie dei geni alle due cellule figlie rappresenta comunque un impresa complessa. Basti considerare, per esempio, che quando si prepara per la duplicazione e si despiralizza, il cromosoma del batterio Escherichia coli è circa 500 volte più lungo della cellula in cui si trova. Non è certo impresa da poco duplicare accuratamente questa molecola quando essa è avvolta e stipata all interno della cellula del batterio. La Figura 8.3A mostra la scissione binaria in un procariote. 1 Mano a mano che il cromosoma si duplica, le due copie si separano raggiungendo i poli opposti della cellula. 2 Mentre la duplicazione del cromosoma procede, la cellula si accresce e si allunga. 3 Quando la duplicazione del cromosoma è completa e le dimensioni del batterio sono circa raddoppiate, la membrana plasmatica si ripiega verso l interno dividendo la cellula madre in due cellule figlie. La Figura 8.3B è una fotografia al microscopio elettronico di un batterio in corso di divisione (nella fase che corrisponde al terzo passaggio della Figura 8.3A). cromosoma procariote membrana plasmatica parete cellulare duplicazione del cromosoma e separazione delle copie la cellula continua ad allungarsi e le due copie del cromosoma si allontanano divisione in due cellule figlie Figura 8.3A La scissione binaria di una cellula procariote. cromosomi batterici Perché la scissione binaria è considerata una forma di riproduzione asessuata? Figura 8.3B Fotografia al microscopio elettronico di un batterio in fase di divisione. TEM Lezione 1 La divisione cellulare e la riproduzione 149

5 Lezione 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Pearson Italia S.p.A. 8.4 I cromosomi degli eucarioti sono strutture complesse che si duplicano prima di ogni divisione cellulare Rispetto alle cellule procariote, quelle degli eucarioti (più complesse e di solito anche molto più grandi) contengono un numero di geni assai superiore. Le cellule umane, per esempio, hanno circa geni, contro i 3000 di un tipico batterio. Nelle cellule umane, e in quelle di tutti gli altri eucarioti, i geni si trovano distribuiti in numerosi cromosomi all interno del nucleo (fanno eccezione i geni contenuti nelle piccole molecole di DNA dei cloroplasti e dei mitocondri). I cromosomi si trovano per la maggior parte del tempo sotto forma di una massa diffusa di fibre lunghe e sottili. Questo materiale, detto cromatina, è una aggregazione di DNA e molecole proteiche. Quando la cellula si prepara per la divisione, la cromatina si spiralizza, cioè si avvolge su sé stessa, compattandosi e formando cromosomi ben distinti, chiaramente distinguibili anche al microscopio ottico. La Figura 8.4A è la microfotografia di una cellula vegetale sul punto di dividersi; ogni filamento scuro è un singolo cromosoma. I cromosomi (dal greco khrôma colore e sóma corpo ) devono il loro nome proprio alla capacità di assorbire alcuni coloranti usati in microscopia. Come quelli dei procatioti, i cromosomi degli eucarioti sono costituiti da una lunga molecola di DNA contenente centinaia o migliaia di geni, associata a un certo numero di molecole proteiche. Il cromosoma eucariote ha tuttavia una struttura molto più complessa di un cromosoma procariote; comprende infatti un numero molto superiore di molecole proteiche, che contribuiscono a mantenerne la struttura e a controllare l attività dei suoi geni. Il numero dei cromosomi di una cellula eucariote è caratteristico di ciascuna specie: per esempio, le nostre cellule hanno 46 cromosomi (con l eccezione di oociti e spermatozoi, le cellule sessuali umane), mentre quelle di un cane ne hanno 78. cromatidi fratelli TEM Figura 8.4B Un cromosoma umano duplicato, visto al microscopio elettronico. centromero distribuzione dei cromosomi alle cellule figlie duplicazione del cromosoma cromatidi fratelli Figura 8.4C La duplicazione di un cromosoma e la distribuzione del materiale genetico alle cellule figlie. Prima di cominciare a dividersi, la cellula duplica tutti i propri cromosomi. La molecola di DNA di ciascun cromosoma viene duplicata e unita a nuove molecole proteiche. Al termine della duplicazione ciascun cromosoma appare formato da due copie, indicate come cromatidi fratelli. La Figura 8.4B è una fotografia al microscopio elettronico di un cromosoma umano che si è duplicato: i due cromatidi appaiono uniti per un breve tratto, detto centromero. L aspetto arruffato del cromosoma deriva dall insieme degli avvolgimenti e dei ripiegamenti delle fibre di cromatina. Quando la cellula si divide, i cromatidi fratelli prodotti dalla duplicazione di ciascun cromosoma si separano (Figura 8.4C). Dopo la separazione, ciascun cromatide corrisponde a un nuovo cromosoma identico a quello presente nella cellula prima della duplicazione. Ognuno dei due nuovi cromosomi si dirige allora verso una delle due cellule figlie che, alla fine, riceve un identico corredo di cromosomi. Negli esseri umani, per esempio, una cellula in corso di divisione ha due copie di ognuno dei 46 cromosomi, e ciascuna delle due cellule figlie risultanti riceve 46 cromosomi singoli. Figura 8.4A Una cellula vegetale subito prima della divisione. LM Quando un cromosoma appare formato da due cromatidi identici? 150 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

6 8.5 Il ciclo cellulare è l insieme degli eventi tra una divisione cellulare e la successiva Quando e perché le cellule di un organismo duplicano i propri cromosomi e si dividono? Come abbiamo visto, la divisione cellulare è un processo fondamentale per gli esseri viventi perché ne consente la riproduzione e la crescita (nel caso dei pluricellulari); inoltre, negli organismi pluricellulari, permette la sostituzione delle cellule logorate o danneggiate, mantenendo in tal modo costante il numero delle cellule di ciascun individuo maturo. Nel nostro corpo, per esempio, milioni di cellule si dividono ogni secondo perché il loro numero totale si mantenga pari a circa miliardi. Alcune cellule si dividono una volta al giorno, altre più di rado, altre ancora (per esempio le cellule muscolari o quelle nervose altamente specializzate) non si dividono mai. Il processo della divisione cellulare è una fase fondamentale del ciclo cellulare, ovvero la sequenza ordinata di eventi che va dal momento in cui la cellula si forma, per divisione della cellula madre, fino a quando la cellula stessa si divide in due cellule figlie. Il ciclo cellulare comprende due stadi principali: uno stadio di accrescimento, detto interfase, durante il quale la cellula svolge un intensa attività metabolica e duplica con grande precisione il proprio DNA, e uno stadio di effettiva divisione cellulare, detto fase mitotica. L interfase. La maggior parte del ciclo cellulare è costituita dall interfase (Figura 8.5), durante la quale l attività metabolica della cellula è molto elevata. In questa fase la cellula sintetizza una grande quantità di proteine, fabbrica nuovi organuli (come mitocondri e ribosomi) e accresce le proprie dimensioni. Nell interfase, che costituisce il 90% circa dell intero ciclo cellulare, ha luogo anche la duplicazione dei cromosomi. Nell interfase si riconoscono tre sottofasi: la sottofase G 1 (dall inglese gap intervallo ), la sottofase S ( sintesi ) e la sottofase G 2. La cellula si accresce durante queste tre sottofasi, ma i cromosomi vengono duplicati soltanto durante la fase S di sintesi del DNA (un processo che studieremo nell unità 10). All inizio della fase S, ogni cromosoma è singolo; alla fine di questa fase, dopo la duplicazione del DNA, ogni cromosoma è formato da una coppia di cromatidi fratelli. Riassumendo quindi: durante la sottofase G 1 dell interfase la cellula si accresce; nella sottofase S la cellula continua ad accrescersi e duplica i cromosomi; infine, nella sottofase G 2, completa l accrescimento e si prepara alla divisione cellulare. La fase mitotica. Questa fase, detta anche fase M, corrisponde al periodo del ciclo cellulare in cui la cellula effettivamente si divide e costituisce solo il 10% circa dell intero ciclo. Durante la fase mitotica, una cellula vivente osservata al microscopio ottico subisce notevoli cambiamenti di forma; in questa fase i singoli cromosomi della cellula risultano riconoscibili al microscopio, come vedremo nel prossimo paragrafo. La fase mitotica si compie in due stadi: il primo è la mitosi, durante la quale il nucleo e il suo contenuto, compresi i cromosomi duplicati, si dividono e si distribuiscono in modo equilibrato ai poli opposti della cellula per formare i due nuclei delle cellule figlie; il secondo è la citodieresi, durante la quale il citoplasma si divide in due. Di solito la citodieresi ha inizio quando la mitosi non è ancora terminata. La sequenza di mitosi e citodieresi dà origine a due distinte cellule figlie geneticamente identiche, ognuna con un singolo nucleo, circondato dal citoplasma e dalla membrana plasmatica. Ogni nuova cellula figlia può quindi passare alla fase G 1 e ripetere il ciclo. Il processo di mitosi è esclusivo degli eucarioti e, in termini evolutivi, risolve il problema di distribuire a due cellule figlie copie identiche di una grande quantità di materiale genetico suddiviso in diversi cromosomi. La mitosi è un meccanismo molto accurato. Esperimenti con i lieviti (funghi unicellulari), per esempio, indicano che gli errori nella distribuzione dei cromosomi si verificano con una frequenza di un solo evento ogni circa divisioni cellulari. interfase G (S) sintesi del DNA La mitosi fase mitotica (M) citodieresi mitosi G Mitosis Attività The cell cycle Figura 8.5 Il ciclo della cellula eucariote. Dovendo utilizzare in laboratorio una sostanza in grado di impedire l inizio della sintesi del DNA in una coltura cellulare, in quale fase del ciclo cellulare dovresti intervenire? Lezione 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi 151

7 esplorando 8.6 La divisione cellulare è una serie ininterrotta di cambiamenti dinamici Le fasi del ciclo cellulare possono essere osservate con il microscopio ottico; le microfotografie di queste pagine mostrano il ciclo cellulare di una cellula animale (in questo caso, di un tritone). Anche se la sequenza di immagini include l interfase, i cambiamenti più Pearson Italia S.p.A. notevoli interessano la cellula nella fase mitotica. La mitosi è una serie ininterrotta di cambiamenti in cui i biologi distinguono cinque stadi principali: profase, prometafase, metafase, anafase e telofase. I disegni mostrano dettagli non visibili nelle microfotografie. Per semplificare, sono stati rappresentati soltanto quattro cromosomi (in realtà, le cellule del corpo di un tritone ne contengono 22, colorati in blu nelle microfotografie). I protagonisti della mitosi sono i cromosomi, che si spostano nella cellula muovendosi lungo il fuso mitotico. Questa struttura LM Interfase Profase Prometafase centrosomi (con una coppia di centrioli) cromatina fuso mitotico in formazione centrosoma frammenti dell involucro nucleare cinetocore nucleolo involucro nucleare membrana plasmatica cromosoma, costituito da due cromatidi fratelli centromero microtubuli del fuso È lo stadio in cui una cellula si accresce e sintetizza nuove molecole e organuli. La figura si riferisce all ultima parte dell interfase (G 2 ). La cellula ha un aspetto molto simile a quello che la caratterizza durante tutta l interfase. Alla fine della sottofase G 2, però: la cellula ha già duplicato gran parte del proprio contenuto originario e il citoplasma contiene due centrosomi; all interno del nucleo i cromosomi sono ormai duplicati, ma non possono essere distinti individualmente perché sono ancora in forma di cromatina dispersa, non spiralizzata; il nucleo contiene anche uno o più nucleoli perché la cellula sta attivamente sintetizzando proteine (nei nucleoli, infatti, sono assemblati i ribosomi, che hanno un ruolo fondamentale nella sintesi proteica). Durante questa fase si verificano cambiamenti sia nel nucleo sia nel citoplasma. All interno del nucleo: le fibre di cromatina incominciano a spiralizzarsi e ripiegarsi condensandosi e formando cromosomi distinti, visibili al microscopio ottico; scompaiono i nucleoli; ciascun cromosoma duplicato è formato ora da due cromatidi identici uniti a livello del centromero. Nel citoplasma: incomincia a formarsi il fuso mitotico, mano a mano che i microtubuli vengono rapidamente assemblati a partire dai centrosomi, che si allontanano l uno dall altro. Durante la prometafase: l involucro nucleare si frammenta; i microtubuli che emergono dai centrosomi ai poli del fuso raggiungono i cromosomi, ora molto condensati; nella regione del centromero, ciascun cromatidio è unito a una struttura proteica chiamata cinetocore; alcuni microtubuli del fuso si attaccano ai cinetocori e incominciano a spostare attivamente i cromosomi; altri microtubuli del fuso entrano in contatto con i microtubuli provenienti dal polo opposto. Le forze esercitate dalle proteine motrici associate ai microtubuli del fuso spostano i cromosomi verso il centro della cellula. 152 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

8 di forma ovale è costituita da microtubuli (fibre che costituiscono il citoscheletro) e guida la separazione delle due serie di cromatidi. I microtubuli del fuso si sviluppano a partire da due centrosomi (che costituiscono i centri di organizzazione dei microtubuli), regioni del citoplasma che nelle cellule animali contengono i centrioli. Il ruolo dei centrioli nella divisione cellulare è ancora sconosciuto: la loro distruzione in laboratorio non interferisce con la normale formazione del fuso e, inoltre, le cellule vegetali sono completamente prive di questi organuli. Le muffe mucillaginose plasmodiali sono organismi costituiti da una voluminosa massa citoplasmatica contenente molti nuclei. Come pensi che si possa formare una megacellula di questo tipo? Metafase Anafase Telofase e Citodieresi piano equatoriale solco di divisione nucleolo in formazione fuso cromosomi figli involucro nucleare in formazione È lo stadio più lungo della mitosi: il fuso mitotico è completamente formato, con i poli alle estremità opposte della cellula; i cromosomi si radunano in corrispondenza del piano equatoriale della cellula; i centromeri di tutti i cromosomi sono allineati lungo il piano equatoriale; per ciascun cromosoma, i cinetocori dei due cromatidi fratelli sono rivolti verso i poli opposti del fuso. I microtubuli attaccati a un particolare cromatidio provengono tutti da un polo del fuso e quelli attaccati al cromatidio fratello provengono dal polo opposto. È lo stadio più breve della mitosi; inizia quando i due cromatidi di ciascun cromosoma si separano a livello del centromero e si allontanano. Ognuno dei cromatidi fratelli viene ora considerato un cromosoma completo. Le proteine motrici dei cinetocori, alimentate dall ATP, accompagnano i cromosomi così formati lungo i microtubuli, verso i poli opposti della cellula. Durante questo movimento, i microtubuli del fuso attaccati ai cinetocori si accorciano, mentre quelli non attaccati ai cromosomi si allungano. I poli si allontanano ulteriormente e la cellula si allunga. L anafase termina quando due serie di cromosomi (equivalenti e complete) hanno raggiunto i poli opposti della cellula. Telofase È circa il processo inverso della profase: continua l allungamento della cellula; ai due poli della cellula si formano i nuclei figli mano a mano che gli involucri nucleari si completano racchiudendo i cromosomi; la cromatina di ciascun cromosoma si despiralizza e riappaiono i nucleoli; alla fine della telofase il fuso mitotico scompare e la mitosi, ovvero la divisione di un nucleo in due nuclei figli geneticamente identici, è terminata. Citodieresi Di solito, la divisione del citoplasma avviene contemporaneamente alla telofase, con la separazione completa delle due cellule figlie; nelle cellule animali la citodieresi comporta la formazione di un solco di divisione, che divide in due la cellula. Lezione 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi 153

9 8.7 La citodieresi avviene in modo diverso nelle cellule animali e in quelle vegetali La citodieresi, la divisione in due della cellula, inizia generalmente durante la telofase, ma può incominciare anche alla fine dell anafase. Nelle cellule animali la citodieresi avviene grazie a un caratteristico processo di scissione. Come mostrato nella Figura 8.7A, il primo segno di tale evento è la comparsa di un solco di divisione, un invaginazione poco profonda della superficie della cellula. In corrispondenza del solco, il citoplasma presenta un anello di microfilamenti di actina associati a molecole di miosina (actina e miosina sono le stesse proteine responsabili della contrazione dei muscoli). Quando i microfilamenti di actina interagiscono con la miosina, l anello si contrae, e strozza la cellula. Il solco si fa più profondo e alla fine divide la cellula madre producendo due cellule figlie completamente separate, ognuna delle quali provvista di un nucleo e della propria quota di citoplasma. Nelle cellule vegetali, che sono dotate di rigide pareti cellulari, la citodieresi segue un percorso diverso (Figura 8.7B). Durante la telofase al centro della cellula madre si raccolgono alcune vescicole, provenienti dall apparato di Golgi, contenenti la cellulosa e gli altri polisaccaridi che formeranno le future pareti cellulari. Le vescicole si fondono, formando una piastra cellulare, circondata da membrane. Questa struttura si accresce verso l esterno aggiungendo via via nuove vescicole. Alla fine, quando i bordi esterni della piastra cellulare raggiungono la parete cellulare della cellula madre, le due cellule figlie, ognuna circondata da una membrana plasmatica e da una parete cellulare, si separano. Attività Video sulla divisione cellulare Pearson Italia S.p.A. Quali sono le differenze tra la citodieresi di una cellula animale e quella di una cellula vegetale? parete della cellula madre formazione della piastra cellulare nucleo della cellula figlia solco di divisione SEM LM solco di divisione anello di microfilamenti che si contrae parete cellulare nuova parete cellulare cellule figlie vescicole contenenti i materiali della parete cellulare piastra cellulare cellule figlie Figura 8.7A La citodieresi di una cellula animale. Figura 8.7B La citodieresi di una cellula vegetale. 154 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

10 8.8 La divisione cellulare è influenzata da fattori di crescita, dalla densità e dall ancoraggio a una superficie Una pianta o un animale possono crescere e svilupparsi normalmente, mantenendo i propri tessuti in buone condizioni, soltanto se sono in grado di controllare il ritmo delle divisioni cellulari nelle diverse parti del corpo. In un essere umano adulto, per esempio, le cellule della pelle e quelle che rivestono l apparato digerente si dividono spesso e per tutta la vita, sostituendo le cellule vecchie e danneggiate che vengono continuamente eliminate. Al contrario, le cellule del fegato umano di solito non si dividono, a meno che l organo non abbia subito danni; in questo caso, la divisione cellulare serve a riparare eventuali lesioni. Studiando in laboratorio il ritmo di divisione delle cellule animali, gli scienziati sono riusciti a identificare molti fattori, fisici e chimici, che possono influenzare il processo. L effetto dei fattori di crescita. Gli studiosi hanno osservato che se nel mezzo colturale manca una sostanza nutritiva essenziale le cellule non riescono a dividersi. La maggior parte delle cellule dei mammiferi, infatti, si divide in coltura soltanto in presenza di fattori di crescita specifici (Figura 8.8A). Un fattore di crescita è una proteina secreta da cellule particolari che stimola la divisione di altre cellule. Gli scienziati hanno scoperto almeno 50 diversi fattori di crescita in grado di innescare la divisione cellulare. I diversi tipi di cellule rispondono in modo specifico a particolari fattori di crescita, o a una loro combinazione. La presenza di una ferita sulla pelle, per esempio, induce le piastrine presenti nel sangue a liberare una proteina denominata fattore di crescita di derivazione piastrinica. Questa proteina promuove la rapida crescita delle cellule del tessuto connettivo che, in tal modo, contribuiscono a cicatrizzare la ferita. coltura di cellule aggiunta del fattore di crescita le cellule si ancorano alla superficie della piastra per coltura e si dividono quando le cellule hanno formato un singolo strato completo, smettono di dividersi (inibizione da contatto) se alcune cellule vengono rimosse, quelle rimaste riprendono a dividersi fino a riempire la piastra per coltura con un singolo strato; a quel punto la divisione si arresta (inibizione da contatto) Figura 8.8B L inibizione da contatto, osservata nelle cellule animali in coltura. L inibizione da contatto. La divisione cellulare può interrompersi quando la densità della popolazione cellulare è troppo alta. In base a questo fenomeno, detto inibizione da contatto, le cellule animali che crescono sulla superficie di una piastra per coltura, per esempio, si moltiplicano fino a formare un singolo strato e generalmente smettono di dividersi quando entrano in contatto reciproco (Figura 8.8B). Se alcune cellule vengono rimosse, quelle che si trovano ai bordi dello spazio così creato riprendono a dividersi, e continuano a farlo finché lo spazio disponibile non viene nuovamente riempito. In questo caso il responsabile dell inibizione sembra essere il contatto fisico tra le proteine presenti sulla superficie di cellule adiacenti. La dipendenza dall ancoraggio. La maggior parte delle cellule animali e vegetali tende a dividersi soltanto se è a contatto con una superficie solida, che può essere quella di una piastra per coltura o quella della matrice extracellulare di un tessuto. Questa dipendenza dall ancoraggio sembra impedire la crescita anomala delle cellule che, per qualche motivo, si staccano dal loro normale sito di crescita. Nelle cellule dei tessuti viventi la regolazione della divisione cellulare è probabilmente frutto dell inibizione da contatto mediata dalla disponibilità di fattori di crescita; tale meccanismo consente di mantenere la popolazione cellulare a livelli ottimali. Figura 8.8A L effetto dei fattori di crescita sulla divisione di cellule animali in coltura. Qual è il ruolo svolto dai fattori di crescita nella regolazione della divisione cellulare? Lezione 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi 155

11 8.9 I fattori di crescita controllano il ciclo cellulare In un animale la maggior parte delle cellule è ancorata in una posizione fissa e immersa in una soluzione di sostanze nutritive fornite dal sangue; di solito, inoltre, la cellula non si divide a meno che non riceva segnali specifici da parte di altre cellule. Spesso questi segnali sono costituiti da fattori di crescita. La sequenza di eventi del ciclo cellulare, illustrata nello schema della Figura 8.9A, è diretta da un sistema di controllo rappresentato dalla manopola al centro del disegno. Il sistema di controllo del ciclo cellulare consiste in una serie di molecole proteiche che, ciclicamente, innescano e coordinano gli eventi chiave del ciclo cellulare. Quest ultimo non deve però essere immaginato come una sequenza di eventi che si susseguono automaticamente in cascata. Nella fase mitotica, per esempio, la metafase non porta automaticamente all anafase; sono infatti le proteine del sistema di controllo a dover dare l avvio alla separazione dei cromatidi fratelli, innescando l evento che segna l inizio dell anafase. I punti di controllo. All interno del ciclo cellulare si possono distinguere tre punti di controllo (rappresentati dalle barrette rosse nella Figura 8.9A) in cui il processo può essere interrotto in base alla necessità. Generalmente, in corrispondenza dei punti di controllo, il ciclo cellulare subisce automaticamente un arresto finché la cellula non riceve un segnale di via libera. Questi segnali viaggiano da una cellula all altra e informano il sistema di controllo della correttezza con cui i processi cellulari sono stati svolti fino a quel punto. I principali punti di controllo sono inseriti nelle sottofasi G 1 e G 2 dell interfase, e nella fase M. Se il sistema di controllo stabilisce che tutto si è svolto correttamente fino a un dato punto di controllo, il processo può continuare. Il sistema di controllo riceve anche messaggi dall esterno della cellula relativi alle condizioni ambientali generali e all eventuale presenza di specifiche molecole segnale provenienti da altre cellule. Quando il sistema di controllo del ciclo cellulare dà il segnale di via libera per il punto di controllo G 1, per esempio, la cellula entra nella fase S del ciclo cellulare. Per molte cellule, il punto di controllo G 1 sembra essere il più importante. Se una cellula riceve un segnale di via libera in questo punto (per esempio, da un fattore di crescita), generalmente può completare il proprio ciclo e si divide. Se però non riceve quel segnale, la cellula sospende il ciclo cellulare, entrando in una fase chiamata G 0, e non si divide. Le cellule che non si dividono (per esempio le cellule nervose e le cellule muscolari) sono ferme nella fase G 0. La Figura 8.9B è uno schema semplificato del modo in cui un fattore di crescita può influenzare il sistema di controllo del ciclo cellulare al punto di controllo G 1. Il processo che si verifica è una trasduzione del segnale. Un fattore di crescita ( ) viene riconosciuto da specifiche proteine inserite nella membrana plasmatica della cellula. Quando si lega con il recettore specifico, il fattore di crescita innesca la trasduzione del segnale che, in questo caso, conduce alla divisione cellulare. Lungo la via di trasduzione, i segnali corrispondono a modificazioni strutturali indotte da una molecola in quella immediatamente successiva. Passando per una serie di molecole, che svolgono il ruolo di ripetitori, il segnale raggiunge infine il sistema di controllo che viene sbloccato permettendo al ciclo cellulare di procedere. La ricerca sul controllo del ciclo cellulare rappresenta attualmente una delle aree di maggiore interesse della ricerca biomedica. Questi studi ci stanno portando a una migliore comprensione dello sviluppo dei tumori, l argomento di cui ci occuperemo nel prossimo paragrafo. Inquiry Do molecular signals in the cytoplasm regulate the cell cycle? Pearson Italia S.p.A. In corrispondenza di quale dei tre punti di controllo descritti nel paragrafo i cromosomi sono sotto forma di cromatidi fratelli? fattore di crescita G punto di controllo G membrana plasmatica proteine ripetitrici G M sistema di controllo G S proteina recettrice via di trasduzione del segnale punto di controllo G G sistema di controllo S punto di controllo M M G punto di controllo G Figura 8.9A Schema del sistema di controllo del ciclo cellulare. Figura 8.9B L azione di un fattore di crescita sul sistema di controllo del ciclo cellulare. 156 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

12 collegamento salute 8.10 le cellule cancerose si dividono senza controllo generando tumori maligni Il cancro, che attualmente colpisce una persona su cinque nei paesi industrializzati, è una malattia legata all errato funzionamento del ciclo cellulare. Le cellule tumorali non rispondono più in modo normale al sistema di controllo del ciclo cellulare e si dividono in modo eccessivo fino a formare masse cellulari anomale, dette tumori, che possono invadere altri tessuti dell organismo. i tipi di tumore. Quando una cellula normale si trasforma in una cellula tumorale, il sistema immunitario in genere la riconosce e la distrugge. Se però sfugge alla distruzione, può proliferare fino a formare un tumore. Quando la massa di cellule tumorali rimane nel sito originale, si parla di tumore benigno. Talvolta i tumori benigni causano problemi perché crescono all interno di alcuni organi, come il cervello, disturbandone il funzionamento, ma spesso possono essere completamente asportati per via chirurgica. Un tumore maligno, invece, può diffondersi nei tessuti vicini e in altre parti del corpo, distruggendo i tessuti sani e impedendo agli organi colpiti di svolgere le loro normali funzioni (Figura 8.10). Alcune cellule tumorali possono poi separarsi dal tumore originario o secernere molecole segnale che inducono la crescita di vasi sanguigni verso il tumore stesso. A questo punto, le cellule tumorali possono penetrare anche nel sangue e nei vasi linfatici e spostarsi in altre parti del corpo, dove si moltiplicano e formano nuovi tumori. La propagazione di cellule tumorali lontano dal sito d origine viene chiamata metastasi. Nel linguaggio corrente, quando una persona ha un tumore maligno, si dice che è malata di cancro. In base al sito in cui si sono generati, i tumori maligni vengono suddivisi in quattro categorie. I carcinomi si sviluppano da un rivestimento esterno o interno del corpo, come la pelle o le mucose dell intestino. I sarcomi si formano nei tessuti a funzione meccanica, come le ossa e i muscoli. I tumori dei tessuti emopoietici, ossia dei tessuti dove si formano le cellule del sangue (come il midollo osseo, la milza e i linfonodi) sono chiamati leucemie e linfomi. Cellule fuori controllo. Studiando le cellule tumorali in coltura, gli scienziati hanno scoperto che esse non obbediscono ai segnali che normalmente regolano il ciclo cellulare. Queste cellule, per esempio, non presentano l inibizione da contatto, ma continuano a dividersi, e a formare strati sovrapposti, anche quando si trovano in popolazioni ad alta densità. Molte cellule tumorali hanno un sistema di controllo difettoso che non arresta il ciclo cellulare nei punti di controllo neppure quando mancano i fattori di crescita. Altre cellule tumorali sintetizzano autonomamente i fattori di crescita per dividersi in modo incontrollato. Se poi smettono di dividersi, le cellule tumorali sembrano farlo in punti casuali del ciclo cellulare, e non in corrispondenza dei punti di controllo. Queste cellule fuori controllo, infine, sembrano immortali se messe in coltura, perché possono continuare a dividersi all infinito (anche in assenza tumore tessuto ghiandolare da una singola cellula tumorale si sviluppa un tumore di punti di ancoraggio) finché possono contare su una quantità sufficiente di sostanze nutritive; le normali cellule dei mammiferi si dividono invece soltanto volte. terapie per combattere il cancro. Fortunatamente molti tumori possono essere curati con successo. Un tumore ben circoscritto, per esempio, può essere rimosso chirurgicamente. Altri vengono trattati con radiazioni ad alta energia (mediante la radioterapia), che danneggiano il DNA delle cellule tumorali molto più di quello delle cellule normali (forse perché le prime, duplicandosi più spesso, hanno perso la capacità di riparare i danni subiti). A volte, però, il danno arrecato dalle radiazioni alle cellule normali è sufficiente a produrre gravi effetti collaterali: se vengono colpiti i testicoli o le ovaie, per esempio, la radioterapia può provocare la sterilità. Per trattare tumori che si sono diffusi nell organismo i medici ricorrono alla chemioterapia. Durante periodici trattamenti, vengono somministrati farmaci che disturbano specifici passaggi del ciclo cellulare. Per esempio, il taxolo è un antimitotico che congela il fuso mitotico impedendo alle cellule in divisione attiva di procedere oltre la metafase. Questa sostanza è stata originariamente scoperta nella corteccia del tasso della California Taxus brevifolia, da cui ha tratto il nome. La vinblastina, un agente chemioterapico ottenuto da una specie di pervinca endemica delle foreste pluviali del Madagascar, impedisce la formazione del fuso mitotico. Gli effetti collaterali della chemioterapia sono riconducibili all azione esercitata dai farmaci sulle cellule sane in rapida divisione. La nausea, per esempio, deriva dagli effetti della chemioterapia sulle cellule intestinali; la perdita dei capelli dagli effetti sulle cellule dei follicoli piliferi; la predisposizione alle infezioni dagli effetti sulle cellule del sistema immunitario. Ritorneremo sull argomento del cancro nell unità 11, dopo aver studiato la struttura e la funzione dei geni. Ricerca e condividi oggi conosciamo con certezza le cause di molti tumori. il fumo, per esempio, provoca la maggior parte dei tumori polmonari. Svolgi una ricerca sui tumori polmonari e, utilizzando i dati raccolti, realizza una campagna di informazione rivolta ai giovani per sensibilizzarli sui rischi legati al fumo. le cellule tumorali invadono i tessuti circostanti Figura 8.10 Sviluppo e metastasi di un tumore maligno (cancro) al seno. vasi linfatici vaso sanguigno le cellule tumorali si diffondono in altre parti del corpo attraverso i vasi linfatici e sanguigni lezione 2 il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi 157

13 8.11 In sintesi: negli organismi pluricellulari la mitosi è fondamentale per la crescita, la sostituzione delle cellule e la riproduzione sessuata Le tre microfotografie riassumono il ruolo della divisione cellulare mitotica nella vita degli organismi pluricellulari. La Figura 8.11A mostra alcune cellule dell apice di una radice di cipolla. Nelle numerose cellule potete osservare i nuclei nei diversi stadi della mitosi. L intensa divisione cellulare nei tessuti dell apice radicale produce nuove cellule e determina la crescita della radice. La Figura 8.11B illustra una cellula di midollo osseo umano mentre si sta dividendo. La divisione mitotica nel midollo rosso contenuto nelle ossa (in particolare costole, vertebre, sterno e ossa del bacino) produce senza sosta nuove cellule ematiche che sostituiscono quelle vecchie. Processi simili rinnovano le cellule in tutto il corpo: per esempio, le divisioni cellulari nell epidermide sostituiscono le cellule morte che si staccano continuamente dalla superficie della pelle. La Figura 8.11C è la microfotografia di un idra, un piccolo organismo pluricellulare delle pozze d acqua dolce. L idra si riproduce per via sessuata e anche asessuata. L individuo nella microfotografia si sta riproducendo per via asessuata mediante gemmazione. Pearson Italia S.p.A. Una gemma ha inizio come una piccola massa di cellule in divisione che cresce su un lato del genitore. Dalla gemma si sviluppa poi una piccola idra che si stacca dal genitore e inizia la propria vita autonoma. L idra figlia è geneticamente identica al genitore, cioè costituisce un suo clone. Nei tre esempi illustrati (la crescita della radice, la sostituzione delle cellule e la gemmazione) le nuove cellule hanno esattamente lo stesso numero e lo stesso tipo di cromosomi delle cellule da cui derivano, grazie alle modalità con cui i cromosomi duplicati si distribuiscono nelle cellule figlie durante la mitosi. La mitosi consente a un organismo di crescere, di rigenerare e riparare i propri tessuti e di riprodursi per via asessuata formando cellule con lo stesso patrimonio genetico delle cellule originarie. Se esaminiamo le cellule di un qualsiasi individuo, vedremo che quasi tutte (con l eccezione delle cellule sessuali) contengono lo stesso numero e lo stesso tipo di cromosomi. Allo stesso modo, le cellule di differenti individui appartenenti a una medesima specie hanno tutte lo stesso numero e lo stesso tipo di cromosomi. Nel prossimo paragrafo studieremo più approfonditamente l organizzazione e il numero dei cromosomi all interno della cellula. Se una cellula della pelle umana con 46 cromosomi si divide per mitosi, quanti cromosomi avrà ogni cellula figlia? LM LM LM Figura 8.11A La divisione delle cellule in una radice di cipolla in crescita. Figura 8.11B La divisione di una cellula del midollo osseo. Figura 8.11C La riproduzione asessuata di un idra. Lezione 3 La meiosi e il crossing over 8.12 I cromosomi formano coppie omologhe Tutte le cellule del corpo umano (escluse le cellule sessuali) vengono indicate come cellule somatiche e hanno 46 cromosomi. Utilizzando un microscopio per esaminare i nostri cromosomi durante la metafase della mitosi, si nota che ciascuno di essi (costituito da due cromatidi fratelli uniti in corrispondenza del centromero) ha un cromosoma gemello identico in lunghezza e con il centromero nella stessa posizione (Figura 8.12). Nel complesso, una cellula somatica umana contiene 23 di queste coppie di cromosomi; le cellule somatiche di ogni altra specie, animale e vegetale, possiedono un numero fisso e caratteristico di cromosomi, sempre presenti in coppie. Quando sono trattati con speciali coloranti, i cromosomi di una coppia mostrano inoltre una identica sequenza di bande colorate, come evidenziato nella Figura Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

14 coppia di cromosomi omologhi cromatidi fratelli centromero Figura 8.12 Una coppia di cromosomi omologhi. I cromosomi omologhi. I due cromosomi che compongono ciascuna coppia vengono chiamati cromosomi omologhi perché entrambi contengono i geni che controllano le stesse caratteristiche ereditarie. Se un gene che determina la presenza di lentiggini è situato in un punto particolare, o locus (al plurale, loci), di un cromosoma, anche il cromosoma omologo avrà una copia del gene per le lentiggini in quel locus. Il gene per le lentiggini, per esempio, potrebbe trovarsi all interno della sottile banda arancione nei due cromosomi omologhi della figura. I due cromosomi peraltro possono avere versioni differenti dello stesso gene nel medesimo locus. Nel nostro esempio, la banda arancione del primo cromosoma potrebbe avere il gene lentiggini sì (che determina la comparsa di lentiggini) mentre il cromosoma omologo potrebbe avere il gene lentiggini no. I cromosomi sessuali. Delle 23 coppie di cromosomi umani, 22 coppie di cromosomi (detti autosomi) sono uguali nei maschi e nelle femmine, mentre l ultima coppia (costituita dai cromosomi sessuali) determina se un individuo è maschio o femmina. Le femmine della specie umana hanno una coppia di cromosomi X omologhi (XX); i maschi hanno un cromosoma X e un cromosoma Y (XY). I cromosomi X e Y hanno forma (da cui prendono il nome) e dimensioni differenti; la maggior parte dei geni presenti sul cromosoma X non ha corrispondenti sul minuscolo cromosoma Y e quest ultimo possiede geni che mancano sul cromosoma X. Ogni individuo eredita un cromosoma di ciascuna coppia omologa dalla madre e l altro dal padre, e questo vale sia per gli autosomi sia per i cromosomi sessuali. Per quale motivo le nostre cellule somatiche possiedono due copie di ciascun cromosoma? 8.13 I gameti hanno un unico corredo cromosomico aploidi (n) diploidi ( n) MEIOSI ovaie gameti aploidi (n 5 ) spermatozoo (n) testicoli adulti pluricellulari diploidi ( n 5 ) oocita (n) mitosi e sviluppo FECONDAZIONE zigote diploide ( n 5 ) Figura 8.13 Il ciclo vitale umano. Il possesso di due insiemi di cromosomi, ciascuno dei quali ereditato da uno dei due genitori, è un fattore chiave nel ciclo vitale della nostra specie (Figura 8.13) e in quello di tutte le altre specie che si riproducono per via sessuata. Il numero complessivo di cromosomi rappresenta il corredo cromosomico della cellula. Una cellula con due insiemi di cromosomi omologhi è detta diploide, e il suo corredo cromosomico diploide è indicato con il numero 2n (detto numero diploide). Negli esseri umani il numero diploide è 46 (cioè 2n 5 46). La nostra specie è diploide perché quasi tutte le cellule del nostro organismo sono diploidi; fanno eccezione le cellule sessuali o gameti, ovvero gli oociti e gli spermatozoi. Ciascun gamete possiede un corredo cromosomico dimezzato: 22 autosomi più un cromosoma sessuale, X o Y. Una cellula di questo tipo è detta aploide. Nella specie umana il numero aploide (abbreviato n) è 23, cioè n Nelle specie che si riproducono per via sessuata l accoppiamento permette a uno spermatozoo aploide, di provenienza paterna, di raggiungere un oocita aploide, di provenienza materna, e di fondersi con esso nel processo della fecondazione. La cellula che si forma dall unione dell oocita con uno spermatozoo è detta zigote e ha un corredo cromosomico diploide che deriva dalla somma di due corredi cromosomici aploidi: uno proveniente dalla madre e uno dal padre. Il ciclo vitale si completa quando dallo zigote si sviluppa un adulto sessualmente maturo. Il processo di divisione mitotica assicura che tutte le cellule somatiche del corpo umano ricevano una copia di tutti i 46 cromosomi dello zigote. Il ciclo vitale di tutte le specie a riproduzione sessuata, compresa la nostra, comporta un alternanza di stadi diploidi e aploidi. Grazie al fatto che i gameti sono aploidi, il numero dei cromosomi non raddoppia a ogni generazione. I gameti sono prodotti da uno speciale tipo di divisione cellulare, chiamato meiosi, che ha luogo soltanto negli organi riproduttivi (le ovaie e i testicoli, negli animali). Mentre la mitosi produce cellule figlie con lo stesso numero di cromosomi della cellula madre, la meiosi determina il dimezzamento del numero originario di cromosomi. Da quale organo proviene una cellula umana che ha soltanto 23 cromosomi, di cui un cromosoma Y? Come si chiama questa cellula? Lezione 3 La meiosi e il crossing over 159

15 esplorando 8.14 La meiosi riduce il numero cromosomico portandolo da diploide (2n) ad aploide (n) La meiosi è un tipo di divisione cellulare degli organismi diploidi che produce gameti aploidi. Il processo della meiosi è per molti aspetti Pearson Italia S.p.A. simile alla mitosi. Come quest ultima, la meiosi è preceduta da un interfase (che la figura non mostra), durante la quale i cromosomi si duplicano; al termine di questa interfase, ogni cromosoma è costituito da due cromatidi fratelli geneticamente identici, uniti tramite i centromeri. Poi seguono due divisioni cellulari consecutive, chiamate meiosi I e meiosi II; la meiosi II è essenzialmente una mitosi, con la fondamentale differenza che inizia con una cellula aploide. meiosi I: i cromosomi omologhi si separano PROFASE I METAFASE I ANAFASE I TELOFASE I E CITODIERESI siti del crossing over microtubuli attaccati al cinetocore piano equatoriale i cromatidi fratelli rimangono uniti solco di divisione fuso cromatidi fratelli tetrade centromero (con il cinetocore) i cromosomi omologhi si separano I cromosomi omologhi (in colore rosso e blu) si appaiano e i loro cromatidi si scambiano segmenti. Le coppie di omologhi si allineano sul piano equatoriale della cellula. Le coppie di omologhi si separano; i cromosomi migrano verso i due poli della cellula. Si formano due cellule figlie aploidi; ogni cromosoma è ancora costituito da due cromatidi fratelli. Profase I È la fase più complessa della meiosi e solitamente richiede oltre il 90% del tempo necessario per compiere la divisione meiotica. All inizio la cromatina si spiralizza e i singoli cromosomi diventano visibili al microscopio. In un processo detto sinapsi, i cromosomi omologhi, ognuno composto da due cromatidi fratelli, si appaiano dando origine a strutture chiamate tetradi. Durante la sinapsi, i cromatidi dei cromosomi omologhi si scambiano segmenti in un processo chiamato crossing over. Poiché le informazioni genetiche su ogni cromosoma (o su uno dei suoi cromatidi) possono essere diverse da quelle sul suo omologo, il crossing over ridistribuisce queste informazioni contribuendo alla variabilità genetica delle popolazioni a riproduzione sessuata. Mentre la profase I continua, i cromosomi si condensano sempre di più e i nucleoli scompaiono. A questo punto i centrosomi si allontanano l uno dall altro, e tra di essi incomincia a formarsi il fuso. L involucro nucleare si frammenta e le tetradi, agganciate dai microtubuli del fuso, vengono trascinate verso il centro della cellula. Metafase I Le tetradi si allineano sul piano equatoriale della cellula. Ogni cromosoma è condensato e ispessito, con i cromatidi fratelli uniti in corrispondenza del centromero. I microtubuli del fuso sono attaccati ai cinetocori a livello dei centromeri. I cromosomi omologhi di ogni tetrade sono uniti a microtubuli diversi: i microtubuli del fuso attaccati a uno dei cromosomi omologhi provengono da un polo della cellula, e quelli attaccati all altro omologo provengono dal polo opposto. Una volta raggiunta questa disposizione, i cromosomi omologhi di ciascuna tetrade sono pronti a migrare verso i poli opposti della cellula. Anafase I I cromosomi migrano verso i due poli della cellula. A differenza della mitosi, però, i cromatidi fratelli che costituiscono ciascun cromosoma duplicato rimangono uniti a livello del centromero. Soltanto le tetradi (le coppie di cromosomi omologhi) si dividono. Nel disegno si vedono tre cromosomi ancora doppi che migrano verso ciascun polo del fuso (nell anafase di una mitosi, si vedrebbero invece sei cromosomi figli migrare verso ciascun polo). Telofase I e citodieresi I cromosomi raggiungono i poli opposti della cellula. A questo punto ai due poli si trova un corredo cromosomico aploide, benché ogni cromosoma sia ancora costituito da due cromatidi fratelli. Generalmente, insieme alla telofase I avviene la citodieresi, e si formano le due cellule figlie aploidi. In alcune specie, dopo la telofase I, i cromosomi si despiralizzano, si riforma l involucro nucleare e, prima che inizi la meiosi II, ha luogo un periodo di stasi. In altre specie le cellule figlie prodotte nella prima divisione meiotica iniziano immediatamente la preparazione per la seconda divisione meiotica. In entrambi i casi, tra la telofase I e l inizio della meiosi II non si verifica alcuna duplicazione cromosomica. 160 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

16 Queste divisioni producono quattro cellule figlie (invece delle due cellule figlie risultanti dalla mitosi), ciascuna con un corredo cromosomico aploide. La meiosi produce quindi cellule figlie contenenti soltanto la metà dei cromosomi della cellula madre. I disegni della figura illustrano le due divisioni meiotiche in una cellula animale con un numero diploide pari a 6 (2n 5 6). La meiosi Meiosis Una cellula presenta un numero aploide (n) di cromosomi, ma ciascuno di essi consiste di due cromatidi; i cromosomi sono disposti al centro del fuso. In quale stadio della meiosi si trova la cellula? meiosi II: i cromatidi fratelli si separano PROFASE II METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II E CITODIERESI i cromatidi fratelli si separano formazione di quattro cellule figlie aploidi Nel corso di una nuova divisione cellulare, i cromatidi fratelli alla fine si separano; si formano così quattro cellule figlie, ognuna con un corredo cromosomico aploide. Profase II Negli organismi in cui la meiosi I è seguita da una stasi, i cromosomi tornano a condensarsi e durante la profase II l involucro nucleare si frammenta. Durante la profase II si forma un fuso che sposta i cromosomi verso il centro della cellula. Metafase II I cromosomi si allineano sul piano equatoriale della cellula (come avviene nella mitosi) con i cinetocori dei cromatidi fratelli rivolti verso i poli opposti della cellula. A causa del crossing over, che si è verificato nella metafase I, i due cromatidi fratelli di ciascun cromosoma non sono identici. Anafase II I centromeri dei cromatidi fratelli si separano; i cromatidi fratelli di ogni coppia si spostano verso poli opposti della cellula. Telofase II e citodieresi Nella telofase II ai poli opposti della cellula si riformano i nuclei con le loro membrane e, nello stesso tempo, si verifica la citodieresi. Al termine del processo vi sono quattro cellule figlie, geneticamente diverse l una dall altra, ognuna con un corredo cromosomico aploide. Lezione 3 La meiosi e il crossing over 161

17 8.15 Mitosi e meiosi: due processi che presentano importanti analogie e differenze Nei paragrafi precedenti abbiamo esaminato le due modalità di divisione delle cellule eucariote. 1. La mitosi (che provvede alla crescita dell organismo, alla riparazione dei tessuti e alla riproduzione asessuata) produce cellule figlie geneticamente identiche alla cellula madre. 2. La meiosi, necessaria per la riproduzione sessuata, produce invece cellule figlie aploidi, ossia contenenti un solo cromosoma per ogni coppia di omologhi. Tanto nella mitosi quanto nella meiosi, i cromosomi si duplicano una sola volta, nell interfase che precede la divisione. La mitosi prevede una sola divisione del nucleo ed è generalmente accompagnata da citodieresi, dando così origine a due cellule identiche. La meiosi comporta due divisioni del nucleo e del citoplasma, e produce quindi quattro cellule aploidi. La Figura 8.15 mette a confronto la mitosi e la meiosi a partire da una cellula madre diploide con quattro cromosomi (2n 5 4). I cromosomi omologhi si riconoscono perché hanno uguali dimensioni. Tutti gli eventi distintivi della meiosi avvengono durante la meiosi I. Nella profase I, i cromosomi omologhi duplicati si appaiano formando le tetradi, costituite da quattro cromatidi uniti a coppie a livello del centromero; tra cromatidi omologhi (non fratelli) avviene il crossing over. Nella metafase I, le tetradi (non i singoli cromosomi) si allineano sul piano equatoriale della cellula. Durante l anafase I, le coppie di cromosomi omologhi si separano ma i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma restano uniti. Alla fine della meiosi I si formano, di conseguenza, due cellule aploidi, nelle quali ciascun cromosoma è ancora costituito da due cromatidi fratelli. La meiosi II è pressoché identica a una mitosi e separa i cromatidi fratelli. Diversamente dalla mitosi, però, ciascuna cellula figlia prodotta dalla meiosi II possiede un corredo cromosomico aploide (n). Mitosis-meiosis comparison Pearson Italia S.p.A. In che modo la mitosi conserva il numero di cromosomi della cellula di partenza (2n), mentre la meiosi lo riduce da diploide (2n) ad aploide (n)? MITOSI MEIOSI cellula madre (prima della duplicazione dei cromosomi) sito del crossing over MEIOSI I profase cromosoma duplicato (due cromatidi fratelli) duplicazione dei cromosomi n 5 duplicazione dei cromosomi profase I tetrade formata in seguito alla sinapsi dei cromosomi omologhi metafase i cromosomi si allineano sul piano equatoriale le tetradi si allineano sul piano equatoriale metafase II anafase telofase durante l anafase i cromatidi fratelli si separano durante l anafase I i cromosomi omologhi si separano ma i cromatidi fratelli rimangono uniti anafase I telofase I aploide n 5 cellule figlie prodotte con la meiosi I n cellule prodotte con la mitosi n non avvengono altre duplicazioni cromosomiche; durante l anafase II i cromatidi fratelli si separano n n n n cellule figlie prodotte con la meiosi II MEIOSI II Figura 8.15 Confronto tra mitosi e meiosi. 162 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

18 8.16 La variabilità genetica della prole dipende dalla disposizione dei cromosomi nella meiosi e dalla casualità della fecondazione Come abbiamo visto nel paragrafo 8.1, i figli generati con la riproduzione sessuata presentano un ampia variabilità perché sono geneticamente diversi dai genitori e tra loro. Questa variabilità genetica dipende da alcuni fenomeni che si verificano durante la meiosi e la fecondazione ed è la materia prima su cui opera la selezione naturale, il processo alla base dell evoluzione dei viventi. La Figura 8.16 illustra uno dei meccanismi con cui la meiosi contribuisce all insorgere delle differenze genetiche nei gameti, le cellule sessuali. La disposizione delle coppie di cromosomi omologhi nella metafase I influisce infatti sul tipo di gameti risultanti. Nella figura sono utilizzati colori diversi per distinguere i cromosomi di provenienza materna (in rosso) e paterna (in azzurro). I colori evidenziano un aspetto importante: ciascun cromosoma di origine materna è diverso geneticamente dal suo omologo di origine paterna (anche se al microscopio appaiono uguali). In effetti ogni cromosoma di origine materna contiene versioni diverse dei geni che codificano per lo stesso carattere presenti sul cromosoma omologo di origine paterna. La casualità della disposizione dei cromosomi. La disposizione delle coppie dei cromosomi omologhi (tetradi) nella metafase I è casuale, come l esito del lancio di una moneta. Esiste, di conseguenza, il 50% di probabilità che una particolare cellula figlia riceva il cromosoma materno (rosso) di una certa coppia omologa e il 50% che riceva il cromosoma paterno (azzurro). Nel nostro esempio, durante la metafase I le tetradi possono allinearsi in due modi diversi: nel primo caso (a sinistra nella figura), le tetradi sono disposte con entrambi i cromosomi rossi sullo stesso lato del piano equatoriale; quindi i gameti prodotti possono avere soltanto cromosomi rossi oppure soltanto cromosomi azzurri (combinazioni 1 e 2). Nel secondo caso (a destra), le tetradi sono disposte in modo diverso, con un cromosoma rosso e uno azzurro su ogni lato caso del piano equatoriale. Questa disposizione produce gameti che hanno un cromosoma rosso e uno azzurro ciascuno. Inoltre, metà dei gameti riceverà un cromosoma grande azzurro e uno piccolo rosso (combinazione 3), e metà ne riceverà uno grande rosso e uno piccolo azzurro (combinazione 4). Questo esempio mostra dunque che, partendo da una cellula con numero diploide 4 (2n 5 4), nei gameti sono possibili quattro combinazioni di cromosomi; l organismo produce gameti dei quattro tipi in quantità sostanzialmente uguali perché ogni coppia di cromosomi omologhi nella metafase I si dispone sul piano equatoriale in modo indipendente dall altra coppia. In una specie come la nostra, che possiede 23 coppie di cromosomi, durante la metafase I tutte le coppie si orientano indipendentemente, anche i cromosomi X e Y, che si comportano infatti come una coppia di omologhi (perché le regioni omologhe che hanno in comune, per quanto limitate, sono sufficientemente ampie da garantire l appaiamento). In tutte le specie, il numero totale di combinazioni di cromosomi che la meiosi può produrre nei gameti è 2 n, dove n corrisponde al numero aploide. Nell esempio della figura, n 5 2; quindi il numero delle combinazioni cromosomiche è 2 2, cioè 4. Per un essere umano (n 5 23) esistono 2 23 (circa 8 milioni) di possibili combinazioni cromosomiche. La variabilità prodotta dalla fecondazione. La variabilità aumenta ulteriormente quando i due gameti aploidi si uniscono durante la fecondazione. Negli esseri umani le combinazioni cromosomiche possibili quando un singolo spermatozoo si unisce con un singolo oocita sono circa miliardi; infatti, ogni gamete contiene una delle 8 milioni ( ) di combinazioni possibili e dalla fecondazione di due gameti si otterranno quindi ( ) 3 ( ) combinazioni possibili nello zigote. Sebbene la natura casuale della fecondazione garantisca un enorme variabilità potenziale alla prole derivante dalla riproduzione sessuata, la variabilità prodotta dalla meiosi è ancora maggiore, come vedremo nei prossimi paragrafi. Quante combinazioni cromosomiche sono possibili per i gameti prodotti dalla meiosi in una specie con numero diploide 10? due configurazioni cromosomiche ugualmente probabili (metafase I) metafase II gameti caso combinazione combinazione combinazione combinazione Figura 8.16 Il risultato della disposizione casuale dei cromosomi nella metafase I. Lezione 3 La meiosi e il crossing over 163

19 8.17 Sui cromosomi omologhi si trovano versioni diverse dello stesso gene Finora ci siamo concentrati sulla variabilità genetica che caratterizza i gameti e gli zigoti a livello dell intero cromosoma. Ora ci soffermeremo invece sui geni, cioè sull informazione genetica vera e propria contenuta nei cromosomi dei gameti e degli zigoti. In particolare, cercheremo di capire che cosa comporta, a livello dei geni, la disposizione casuale e indipendente dei cromosomi durante la metafase I. Consideriamo, per semplicità, una singola tetrade (Figura 8.17A). Le lettere sui cromosomi omologhi rappresentano singoli geni. Nel paragrafo 8.12 abbiamo visto che i cromosomi omologhi contengono nello stesso locus geni che codificano per lo stesso carattere. Il nostro esempio riguarda due ipotetici geni che controllano l aspetto fisico dei topi. C e c sono diverse versioni di un gene che determina il colore del pelo; E ed e sono le differenti versioni di un altro gene che codifica per il colore degli occhi. Come vedremo nelle prossime unità, le versioni alternative di un gene, chiamate alleli, contengono sequenze leggermente diverse dei nucleotidi del DNA. geni per il colore del pelo marrone C c bianco geni per il colore degli occhi nero E e rosa tetrade nella cellula madre (coppia di cromosomi omologhi duplicati) meiosi C C c c cromosomi nei gameti Figura 8.17A L informazione genetica può essere diversa su cromosomi omologhi. E E e e pelo marrone (C ); occhi neri (E) pelo bianco (c ); occhi rosa (e) Figura 8.17B Topi con diversa colorazione del pelo e degli occhi. Supponiamo che C rappresenti il gene responsabile della colorazione marrone del topo a sinistra nella Figura 8.17B e che c rappresenti il gene che determina la colorazione bianca (il topo a destra). Nello schema della Figura 8.17A potete osservare che C e c si trovano nello stesso locus, rispettivamente sul cromosoma rosso e sul suo omologo azzurro. Allo stesso modo, il gene E (per gli occhi neri) è situato nel medesimo locus di e (occhi rosa). Il fatto che cromosomi omologhi possano essere portatori di informazioni genetiche diverse per la stessa caratteristica (per esempio il colore del pelo) rende i gameti diversi gli uni dagli altri. Nel nostro esempio, un gamete con un cromosoma rosso avrà i geni che codificano per il colore marrone del pelo e per gli occhi neri, mentre un gamete con il cromosoma omologo azzurro avrà i geni per il colore bianco del pelo e per gli occhi rosa. Una tetrade (della quale nell esempio abbiamo considerato soltanto i geni che determinano due caratteristiche) può quindi produrre due tipi di gameti geneticamente diversi. Nel prossimo paragrafo faremo un passo avanti e vedremo come la stessa tetrade possa in realtà portare a quattro tipi di gameti. Qual è la coppia di cromosomi omologhi e quali sono i cromatidi fratelli nella tetrade della Figura 8.17A? 8.18 Il crossing over aumenta ulteriormente la variabilità genetica Con il termine crossing over indichiamo lo scambio di segmenti corrispondenti tra due cromosomi omologhi. La microfotografia e il disegno della Figura 8.18A illustrano il crossing over che si verifica tra due cromosomi omologhi durante la profase I della meiosi. In questo stadio, i cromosomi formano una tetrade composta da quattro cromatidi, nella quale i due cromatidi di uno stesso cromosoma sono attaccati a livello del centromero. I siti in cui ha luogo il crossing over appaiono come regioni a forma di X al microscopio, e sono chiamati chiasmi (dal greco khiasmós a croce ). Un chiasma è un punto in cui due cromatidi omologhi (non fratelli) aderiscono l uno all altro. chiasma, punto in cui avviene il crossing over centromero Figura 8.18A La formazione di chiasmi durante la meiosi. TEM 164 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

20 Le tappe del crossing over. La Figura 8.18B fa riferimento agli stessi geni del topo considerati nel paragrafo precedente per dimostrare come il crossing over possa produrre nuove combinazioni di geni. Il crossing over inizia molto presto nella profase I della meiosi, in uno stadio in cui i cromosomi omologhi sono strettamente appaiati nel senso della lunghezza e ciascun gene su un cromosoma è precisamente allineato con il gene corrispondente sullo stesso locus del suo omologo. Nella parte alta della figura è schematizzata una tetrade sulla quale sono indicati i geni per il colore del pelo (C, c) e quelli per il colore degli occhi (E, e). geni per il colore del pelo C c geni per il colore degli occhi 1 E e tetrade (coppia di cromosomi omologhi) i cromatidi omologhi si spezzano 1 Due cromatidi non fratelli (uno di origine materna, rosso, e uno di origine paterna, azzurro) si spezzano nello stesso punto; 2 i due cromatidi spezzati si risaldano immediatamente formando un chiasma e scambiandosi i segmenti (il rosso con l azzurro e l azzurro con il rosso); 3 quando i cromosomi omologhi si separano nel corso dell anafase I, ciascuno di essi contiene un nuovo segmento proveniente dal suo omologo e rappresenta perciò un cromosoma ibrido (rosso/ azzurro e azzurro/rosso) con nuove combinazioni di geni materni e paterni; 4 infine, nella meiosi II, i cromatidi fratelli si separano, dirigendosi ognuno in un gamete diverso. C c C 2 E e i cromatidi omologhi si saldano nuovamente E chiasma In questo esempio, se non fosse avvenuto un crossing over, la meiosi avrebbe potuto produrre soltanto due tipi di gameti diversi: gameti portatori dei geni C ed E, oppure gameti con i geni c ed e (gli stessi due tipi di gameti che abbiamo visto nella Figura 8.17A). Dal processo di crossing over possono invece derivare altri due tipi di gameti: uno di questi contiene i geni C ed e, e l altro i geni c ed E. I cromosomi con combinazioni di geni prodotte dal crossing over sono chiamati ricombinanti, perché risultano dalla ricombinazione genetica, cioè la produzione di combinazioni di geni diverse da quelle presenti sui cromosomi dei genitori. Nel nostro esempio abbiamo considerato soltanto due geni ma nella realtà i segmenti scambiati tra cromatidi portano numerosi geni: ogni evento di crossing over, perciò, ha effetto su molti geni. Inoltre, bisogna pensare che nelle specie come la nostra nel corso di una meiosi avvengono in media da uno a tre eventi di crossing over per ogni coppia di cromosomi. Quindi, se esaminassimo un cromosoma di uno dei nostri gameti, molto probabilmente scopriremmo che non è esattamente identico a nessuno dei cromosomi presenti nelle altre nostre cellule. Le fonti della variabilità genetica. Abbiamo dunque preso in esame tre importanti processi che generano la variabilità genetica nella riproduzione sessuata: la disposizione casuale dei cromosomi nel corso della metafase I, la casualità della fecondazione e il crossing over durante la profase I della meiosi. Un ulteriore fonte di variabilità, come vedremo nell unità 10, è rappresentata dalle mutazioni, cioè dai rari cambiamenti che avvengono nel DNA dei geni. Fino a questo punto, il nostro esame della meiosi si è concentrato sul processo nel suo svolgimento normale e corretto. Nei prossimi paragrafi prenderemo in considerazione alcune conseguenze degli errori che possono verificarsi nel corso della meiosi. C C c c c C C c c 3 4 e i cromosomi omologhi si separano (anafase I) E e E e i cromosomi si separano (anafase II) e la meiosi si completa E e E e cromosoma parentale cromosoma ricombinante cromosoma ricombinante cromosoma parentale gameti di quattro tipi genetici diversi Figura 8.18B Il crossing over è un meccanismo che causa la ricombinazione genetica. Attività Le origini della variabilità genetica In che modo il crossing over e la disposizione casuale dei cromosomi omologhi influiscono sulla variabilità genetica osservata tra i gameti prodotti dalla meiosi? Lezione 3 La meiosi e il crossing over 165

21 Lezione 4 Pearson Italia S.p.A. Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi 8.19 Il cariotipo è la ricostruzione fotografica del corredo cromosomico di un individuo Quando nella meiosi si verificano errori, i gameti che si formano possono contenere un numero sbagliato di cromosomi o presentare gravi alterazioni strutturali. Gameti di questo tipo possono comunque partecipare alla fecondazione dando però luogo a discendenti con anomalie cromosomiche. Queste condizioni possono facilmente essere scoperte preparando un cariotipo, ovvero fotografando i singoli cromosomi al microscopio durante la metafase della mitosi e quindi disponendo le immagini ottenute in modo ordinato in base alle dimensioni e alla forma. Per realizzare il cariotipo di un individuo i biologi utilizzano di solito il DNA estratto dai linfociti (un tipo particolare di globuli bianchi). Un campione di sangue viene trattato con una sostanza chimica che stimola la mitosi. Dopo essere state coltivate in laboratorio per diversi giorni, le cellule vengono trattate con un altra so- stanza chimica che blocca la mitosi alla metafase, lo stadio in cui i cromosomi (ciascuno costituito da due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero) sono maggiormente condensati (Figura 8.19). Al passaggio 5 della figura potete vedere il cariotipo di un essere umano sano di sesso maschile: i 46 cromosomi di una singola cellula diploide sono disposti in 23 coppie omologhe (gli autosomi numerati da 1 a 22, più una coppia di cromosomi sessuali, in questo caso X e Y). I cromosomi sono stati colorati in modo da evidenziare il bandeggio su cui i biologi si basano per distinguere le diverse coppie cromosomiche e rilevarne le eventuali anomalie strutturali. Una delle più note alterazioni del numero dei cromosomi è la trisomia del cromosoma 21, cioè la presenza di tre cromosomi 21, una condizione di cui parleremo nel prossimo paragrafo. Research method Preparing a karyotype Confrontando il cariotipo della Figura 8.19 con quello di una donna sana, quale differenza noteresti? globuli rossi e globuli bianchi si separano dal plasma soluzione ipotonica fissatore colorante campione di sangue centrifuga globuli bianchi plasma 1 Il campione di sangue viene centrifugato per separare le cellule ematiche dalla parte fluida. 2 Il plasma viene eliminato e le cellule vengono immerse in una soluzione ipotonica. Questo provoca la lisi dei globuli rossi. I globuli bianchi, invece, si gonfiano senza rompersi, e i loro cromosomi si separano. 3 Con una seconda centrifugazione si separano i globuli bianchi dal fluido rimanente, che viene eliminato insieme ai resti dei globuli rossi. Viene quindi aggiunto un fissatore e si prepara il vetrino. centromero cromatidi fratelli coppia di cromosomi omologhi 4 Il vetrino viene esaminato con un microscopio cui è collegata una macchina fotografica digitale. La fotografia di ognuno dei cromosomi viene inserita nel computer; un programma ordina i cromosomi in base alla dimensione e alla forma. Figura 8.19 La preparazione di un cariotipo a partire da un campione di sangue. 5 Si ottiene una rappresentazione ordinata dei cromosomi che costituisce il cariotipo. I cromosomi rappresentati comprendono coppie di autosomi e cromosomi sessuali, X e Y. Ognuno dei cromosomi comprende due cromatidi fratelli molto vicini l uno all altro. 166 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

22 collegamento salute 8.20 Una copia in più del cromosoma 21 causa la sindrome di Down La Figura 8.19 illustra un cariotipo umano normale, con 23 coppie di cromosomi. Il cariotipo della Figura 8.20A, invece, è diverso: vi sono infatti tre cromosomi 21, una condizione indicata come trisomia 21. Nella maggior parte dei casi, un embrione umano con un numero sbagliato di cromosomi viene abortito spontaneamente molto prima della nascita. Alcune anomalie nel numero di cromosomi, però, compresa la trisomia 21, sembrano non avere effetti letali e consentono la nascita e la sopravvivenza degli individui che ne sono portatori. Questi individui, di solito, manifestano una serie di sintomi caratteristici indicati, nel complesso, come sindrome. Una persona con una copia in più del cromosoma 21, per esempio, presenta una condizione chiamata sindrome di Down (dal nome di John Langdon Down, il medico che per primo la descrisse nel 1866). La trisomia 21. La trisomia 21 è una delle più comuni alterazioni del numero cromosomico e interessa circa un bambino su 700 nati vivi. Il cromosoma 21 è uno dei nostri cromosomi più piccoli; tuttavia la presenza di una copia in più di questo cromosoma determina numerosi effetti sull aspetto dell individuo portatore (Figura 8.20B). La sindrome di Down è accompagnata da tratti caratteristici: volto arrotondato, occhi leggermente a mandorla, setto nasale appiattito e denti piccoli e irregolari; chi è affetto da trisomia 21 di solito è anche basso di statura, può presentare difetti cardiaci e particolare predisposizione a infezioni dell apparato respiratorio, alla leucemia e al morbo di Alzheimer. Generalmente questi individui hanno un aspettativa di vita più bassa della media e presentano un ritardo mentale di livello più o meno grave. Se seguite fin dall infanzia, però, le persone con sindrome di Down possono vivere fino alla mezza età, o anche più a lungo, e svolgere una vita normale integrandosi nella società. Anche se la maggior parte delle persone con trisomia 21 non completa pienamente lo sviluppo sessuale e risulta sterile, sono noti vari casi di donne con sindrome di Down che hanno avuto figli. Poiché metà degli oociti prodotti da una donna con la sindrome di Down possiede un cromosoma 21 in più, la probabilità che la sindrome sia trasmessa ai figli è del 50%. L incidenza della trisomia 21. L incidenza della sindrome di Down nella prole di genitori sani aumenta in modo evidente con Figura 8.20B Una bambina affetta da sindrome di Down. Figura 8.20A Il cariotipo di un individuo con trisomia 21 (sindrome di Down). l età della madre (Figura 8.20C). La sindrome di Down colpisce meno dello 0,05% dei bambini (meno di 1 su 2000) nati da donne di età inferiore ai trent anni. Il rischio sale all 1% circa (10 bambini su 1000) nelle donne di quarant anni ed è ancora maggiore per quelle più anziane. A causa di questo rischio relativamente alto, le donne in gravidanza di età superiore ai 35 anni sono invitate a sottoporsi a esami di laboratorio utili per rilevare la presenza della trisomia 21 e di altre importanti anomalie cromosomiche (vedi paragrafo 9.10). Ricerca e condividi L associazione tra sindrome di Down e malattie come la leucemia e l Alzheimer è dovuta al fatto che alcuni geni legati a queste malattie sono presenti sul cromosoma 21. I biologi stanno svolgendo ricerche per scoprire quali sono le altre caratteristiche correlate ai geni del cromosoma 21. Cerca informazioni su questo argomento e scopri quali sono le nostre attuali conoscenze relative all espressione dei geni del cromosoma 21. Neonati con sindrome di Down (su nati) Età della madre Figura 8.20C La correlazione tra l età della madre e l incidenza della sindrome di Down Lezione 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi 167

23 8.21 Un numero errato di cromosomi può dipendere dalla mancata disgiunzione degli omologhi nella meiosi Nel corso della vita di un essere umano, la meiosi si verifica ripetutamente, ogni volta che i testicoli o le ovaie producono i gameti. Quasi sempre il fuso meiotico ripartisce i cromosomi tra le cellule figlie senza commettere errori; qualche volta, però, può verificarsi una non disgiunzione, cioè la mancata separazione dei cromosomi omologhi o dei cromatidi. Gli effetti della non disgiunzione. Le Figure 8.21A e B illustrano due casi in cui può verificarsi la non disgiunzione. In entrambe le figure, la cellula iniziale è diploide (con 2n 5 4) e si trova nello stadio di anafase della meiosi I. Quando la mancata separazione dei cromosomi omologhi avviene in questo stadio (Figura 8.21A), anche se tutti gli altri processi della meiosi si svolgono normalmente, i gameti che ne risultano hanno un numero anomalo di cromosomi (nel nostro esempio due gameti hanno tre cromosomi e gli altri due soltanto uno). Nella Figura 8.21B, la meiosi I avviene in modo regolare, ma si verifica la non disgiunzione dei cromatidi fratelli durante la meiosi II: si formano così due gameti normali e due anomali. Pearson Italia S.p.A. Quando si verifica la fecondazione un gamete anomalo può unirsi con un gamete normale dando origine a uno zigote con numero errato di cromosomi. Con le successive mitosi l anomalia viene trasmessa a tutte le cellule dell embrione. Se lo zigote si sviluppa regolarmente può quindi produrre un organismo completo caratterizzato da un insieme di alterazioni dovute al suo cariotipo anomalo. Quando ha luogo una non disgiunzione che riguarda il cromosoma umano 21 alcuni gameti presentano un cromosoma 21 in più. Se nella fecondazione uno di questi gameti si unisce con un gamete normale, avremo uno zigote con trisomia 21 (vedi paragrafo 8.20). Le cause della non disgiunzione. Non conosciamo ancora le cause esatte dei fenomeni di non disgiunzione, né l origine della correlazione tra età della donna e incidenza della trisomia 21. I ricercatori, tuttavia, hanno scoperto che negli esseri umani la meiosi inizia nelle ovaie prima della nascita, ma si completa molti anni dopo, al momento dell ovulazione. Poiché generalmente ogni mese matura soltanto un oocita, una cellula può rimanere per decenni bloccata a metà della meiosi. Alcune ricerche indicano che, con l aumentare dell età della madre, aumenta anche la probabilità di errori a livello di uno dei punti di controllo (vedi paragrafo 8.9) che coordinano il processo della meiosi. In che modo la non disgiunzione può dar luogo a un gamete diploide, invece che aploide? non disgiunzione nella meiosi I meiosi I normale meiosi II normale non disgiunzione nella meiosi II gameti gameti n 1 n 1 n 1 n 1 numero di cromosomi Figura 8.21A Esempio di non disgiunzione nella meiosi I. n 1 n 1 n n numero di cromosomi Figura 8.21B Esempio di non disgiunzione nella meiosi II. alla luce dell evoluzione 8.22 Gli errori nella divisione cellulare non sono sempre dannosi e possono portare alla comparsa di nuove specie La non disgiunzione al momento della meiosi non interessa soltanto gli autosomi, come il cromosoma 21, ma può anche portare a un numero anomalo di cromosomi sessuali, nel caso della nostra specie X e Y. Numeri inusuali di cromosomi sessuali sembrano avere conseguenze meno problematiche rispetto a un anomalia nel numero degli autosomi, forse perché il cromosoma Y è molto piccolo e contiene relativamente pochi geni. La Tabella 8.22 elenca le più comuni anomalie nel numero dei cromosomi sessuali umani. Di solito la presenza di un numero inferiore di cromosomi rispetto alla condizione normale risulta incompatibile con la sopravvivenza. Le donne con un solo cromosoma X (vedi l ultima riga della tabella) rappresentano l unico caso nella nostra specie in cui il possesso di 45 cromosomi non è fatale (come vedremo nel paragrafo 11.4, ciò è dovuto al fatto che nelle cellule dei mammiferi sono attivi soltanto i geni di uno dei cromosomi X presenti). 168 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

24 La poliploidia. Studiando le modificazioni degli organismi legate alle alterazioni del numero dei cromosomi, i biologi sono giunti a ipotizzare che questi errori abbiano avuto un ruolo importante nell evoluzione di molte specie. In particolare, sembra che molte specie vegetali abbiano avuto origine da incidenti avvenuti durante la divisione cellulare, e dalla conseguente produzione di cellule poliploidi, con un numero di cromosomi superiore rispetto al corredo cromosomico diploide. Sembra che circa la metà delle specie di angiosperme sia poliploide (comprese piante come il frumento e la patata). Consideriamo ora in che modo una specie vegetale diploide (2n) può generare una pianta tetraploide (4n). Immaginiamo che, come avviene in molti organismi vegetali, la pianta diploide originaria produca gameti maschili e femminili e possa autofecondarsi. Se, per un errore, negli organi riproduttivi della pianta non avviene la meiosi e si formano gameti diploidi, l unione di uno spermatozoo diploide (2n) con una cellula uovo diploide (2n) al momento dell autofecondazione produrrà uno zigote tetraploide (4n). Questo zigote potrà svilupparsi in una pianta tetraploide matura, la quale si riprodurrà anch essa per autofecondazione. Le piante tetraploidi così originate costituiscono una nuova specie, che si è evoluta in una sola generazione. Tabella 8.22 Anomalie nel numero dei cromosomi sessuali nella specie umana Cromosomi sessuali XXY XYY XXX XO (mancanza di un cromosoma X) Sindrome sindrome di Klinefelter (maschi con testicoli piccoli e sterili) nessun (maschio normale) nessuna (femmina normale) sindrome di Turner (femmine di bassa statura e sterili) Origine della non disgiunzione nella meiosi, durante la formazione dei gameti maschili e femminili nella meiosi, durante la formazione degli spermatozoi nella meiosi, durante la formazione degli oociti nella meiosi, durante la formazione dei gameti maschili e femminili Frequenza nella popolazione 1/2000 1/2000 1/1000 1/5000 Le specie poliploidi sono meno comuni tra gli animali; tuttavia gli studiosi hanno già individuato casi di poliploidia in alcune specie di pesci e di anfibi. In Argentina è stato inoltre identificato il primo caso di poliploidia tra i mammiferi: si tratta di un roditore con cellule tetraploidi. Gli organismi tetraploidi sono a volte diversissimi dai loro recenti antenati diploidi e dimostrano così la possibilità che una nuova specie possa nascere a partire da errori nella divisione cellulare. Che cos è un organismo poliploide? 8.23 Le alterazioni nella struttura dei cromosomi possono causare difetti congeniti e tumori Anche quando i cromosomi sono in numero normale, la presenza di anomalie nella loro struttura può causare problemi. La rottura di un cromosoma, per esempio, determina riarrangiamenti che spesso hanno effetti negativi sui geni. Nella Figura 8.23 sono illustrate tre diverse alterazioni della struttura dei cromosomi (le frecce indicano i punti di rottura del cromosoma): cromosomi omologhi delezione duplicazione 1. se il cromosoma perde un frammento, si verifica una delezione (un fenomeno che ha di solito effetti molto gravi); 2. se il frammento di un cromosoma si unisce a un cromatidio fratello o a un cromosoma omologo, si verifica una duplicazione; 3. se il frammento si riattacca al cromosoma originario dopo aver compiuto una rotazione di 180, si ha un inversione (le inversioni hanno meno probabilità di produrre effetti dannosi rispetto alle delezioni o alle duplicazioni perché il cromosoma con il segmento invertito contiene comunque tutti i geni in numero normale); 4. un altro tipo di alterazione cromosomica è la traslocazione, vale a dire l inserimento di un frammento cromosomico in un altro cromosoma non omologo. Alcune traslocazioni non hanno effetto, mentre altre risultano dannose. Le alterazioni cromosomiche che si verificano nelle cellule somatiche possono contribuire allo sviluppo del cancro. Una traslocazione cromosomica nelle cellule somatiche del midollo osseo, per esempio, è associata alla leucemia mieloide cronica (LMC). Nelle cellule tumorali della maggior parte dei pazienti con LMC, una parte del cromosomi non omologhi inversione traslocazione reciproca Figura 8.23 Le alterazioni della struttura cromosomica. cromosoma 22 si è scambiata di posto con un piccolo frammento del cromosoma 9. Questa traslocazione reciproca attiva un gene che causa la leucemia. Qual è la differenza tra la traslocazione reciproca e il crossing over? Lezione 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi 169

25 unità 8 area di sintesi e verifica Rivedi i concetti La divisione cellulare e la riproduzione La divisione cellulare è il processo alla base della riproduzione degli organismi» Nella riproduzione asessuata i figli ereditano il DNA di un solo genitore, di cui sono copie esatte. Nella riproduzione sessuata i figli sono il frutto di una combinazione esclusiva di geni provenienti metà dal padre e metà dalla madre. Negli unicellulari la divisione cellulare coincide con la riproduzione dell intero organismo; lo stesso processo permette ai pluricellulari di crescere e di rinnovare le proprie cellule. I procarioti si riproducono con una divisione cellulare chiamata scissione binaria. [ ]. Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Nella mitosi la cellula duplica il proprio patrimonio genetico e lo distribuisce in parti uguali alle cellule figlie» Le cellule eucariote contengono centinaia di migliaia di geni distribuiti in numerosi cromosomi. Prima della divisione cellulare, ciascun cromosoma si duplica dando origine a due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero. Nella divisione cellulare si separano i cromatidi fratelli e si formano due cellule figlie, ciascuna contenente un identico corredo di cromosomi [8.4].» La divisione cellulare è una fase del ciclo cellulare che comprende uno stadio di accrescimento (interfase, divisa nelle sottofasi G 1, S e G 2 ) e uno di divisione cellulare (fase mitotica o M) [8.5]. cellule figlie geneticamente identiche G citodieresi INTERFASE S (sintesi del DNA) mitosi FASE MITOTICA (M) La fase mitotica è divisa in due stadi, chiamati mitosi e citodieresi» Durante la mitosi i cromosomi duplicati si spostano lungo il fuso mitotico raggiungendo il centro della cellula; da qui i cromatidi fratelli si separano e migrano ai poli opposti della cellula, dove si formano i nuclei delle due G nuove cellule. Con la citodieresi la cellula si divide in due. Negli animali, il processo avviene per strozzamento della cellula; nelle piante, si forma invece una piastra cellulare che divide in due la cellula [ ].» La maggior parte delle cellule si divide soltanto in presenza di specifici fattori di crescita; la divisione cellulare può interrompersi quando la densità della popolazione cellulare è troppo alta (inibizione da contatto); il processo di divisione sembra infine dipendere dalla presenza di una superficie solida, per esempio la matrice extracellulare di un tessuto (dipendenza dall ancoraggio) [8.8].» Il ciclo cellulare è regolato da un sistema di controllo. Lungo il ciclo esistono tre punti di controllo in cui il processo può essere interrotto; se la cellula riceve un segnale di via libera (costituito, per esempio, da un fattore di crescita) il ciclo riprende. Le cellule tumorali non rispondono normalmente ai segnali che regolano il ciclo cellulare [ ]. La meiosi e il crossing over Pearson Italia S.p.A. sintesi audio e glossario La meiosi è il processo che determina la formazione di gameti nei quali, grazie al crossing over, si possono trovare cromosomi ricombinanti» Tutte le cellule somatiche del corpo umano hanno 23 coppie di cromosomi omologhi (dei quali 22 coppie di autosomi, uguali nei maschi e nelle femmine, e una coppia di cromosomi sessuali, X e Y). I cromosomi di una coppia omologa contengono geni che codificano per lo stesso carattere, situati nello stesso punto (locus). Le femmine della specie umana hanno una coppia di cromosomi X omologhi (XX); i maschi hanno un cromosoma X e un cromosoma Y (XY) [8.12].» Il numero complessivo di cromosomi di una cellula viene chiamato corredo cromosomico ed è caratteristico di ciascuna specie. Le nostre cellule somatiche hanno un corredo cromosomico diploide (2n); le cellule sessuali sono invece aploidi (n) perché possiedono soltanto un cromosoma per ogni coppia di omologhi. Durante la fecondazione due cellule sessuali si uniscono e danno origine a uno zigote diploide da cui deriveranno tutte le cellule dell embrione. Il processo che permette il dimezzamento del corredo cromosomico e la formazione delle cellule sessuali (o gameti) è la meiosi [8.13].» La meiosi, come la mitosi, è preceduta dalla duplicazione dei cromosomi; nella meiosi però le cellule si dividono due volte, formando quattro cellule figlie. La prima divisione inizia con la sinapsi, ovvero l appaiamento dei cromosomi omologhi. Nel crossing over, i cromosomi omologhi si scambiano segmenti corrispondenti. Nella meiosi I gli omologhi di ciascuna coppia si separano e si formano due cellule figlie aploidi. Durante la meiosi II in ogni cellula i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si separano e si formano alla fine quattro cellule aploidi. Nella mitosi la duplicazione dei cromosomi è seguita da una sola divisione della cellula con formazione di due cellule figlie diploidi. Nella meiosi avvengono due divisioni e si formano quattro cellule aploidi [ ].» La variabilità genetica della progenie che deriva dalla riproduzione sessuata dipende in primo luogo da due fenomeni: la disposizione casuale delle coppie di cromosomi omologhi nella metafase I della meiosi e l assortimento casuale dei gameti che si fondono nella fecondazione. I cromosomi omologhi differiscono in quanto hanno versioni diverse di uno stesso gene nello stesso locus. La ricombinazione genetica, che risulta dal crossing over, rappresenta un ulteriore fonte di variabilità [ ]. Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi Gli errori che si verificano nel corso della meiosi determinano cambiamenti nel numero e nella struttura dei cromosomi con conseguenze più o meno gravi» Se nella meiosi si verificano errori, i gameti che si formano possono contenere un numero sbagliato di cromosomi o presentare gravi alterazioni strutturali (anomalie cromosomiche). Per osservare queste alterazioni si esamina il cariotipo, cioè la rappresentazione fotografica di tutti i cromosomi che formano il corredo cromosomico di un individuo. Una delle più note alterazioni del numero dei cromosomi è la presenza di tre cromosomi 21 (trisomia 21, che causa la sindrome di Down) [ ].» Le anomalie nel numero dei cromosomi possono essere causate dalla non disgiunzione, cioè dalla mancata separazione dei cromosomi omologhi o dei cromatidi durante la meiosi; questo fenomeno può portare anche ad alterazioni del numero di cromosomi sessuali, una condizione che non appare in genere letale per la nostra specie. In alcune specie gli individui con un numero di cromosomi superiore al corredo cromosomico diploide (poliploidi) sopravvivono e possono dare origine a nuove specie. La comparsa di alterazioni della struttura dei cromosomi (dovuta a fenomeni di delezione, duplicazione, inversione o traslocazione) può causare malattie genetiche o, se le alterazioni interessano le cellule somatiche, contribuire allo sviluppo del cancro [ ]. 170 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

26 Collega i concetti mappe interattive ciclo cellulare che comprende interfase G 1 profase fa parte del che regolano il S prometafase punti di controllo G 2 metafase LA DIVISIONE CELLULARE è alla base della agenti su fattori di crescita è regolata da negli che asessuata eucarioti fase mitotica avviene con la distinta in mitosi citodieresi in cui da anafase telofase una cellula madre si formano due cellule figlie riproduzione nei procarioti avviene mediante scissione binaria profase I geneticamente identiche sessuata meiosi I metafase I anafase I anomalie cromosomiche che può creare che richiede la meiosi telofase I citodieresi profase II 2n 2n in cui da meiosi II metafase II anafase II telofase II MEIOSI FECONDAZIONE citodieresi una cellula madre diploide (2n) si formano 4 gameti aploidi (n) geneticamente diversi grazie a gamete maschile (n) gamete femminile (n) crossing over nella profase I disposizione casuale delle coppie di cromosomi omologhi nella metafase I mutazioni che si uniscono con la fecondazione generando uno grazie a zigote (2n) caratterizzato da una grande variabilità genetica n n n n casualità della fecondazione Area di sintesi e verifica 171

27 unità 8 area di sintesi e verifica Mettiti alla prova Vero o falso Modifica le affermazioni false per farle diventare vere cambiando i termini evidenziati in neretto. 1 Negli organismi eucarioti unicellulari, la mitosi aumenta il numero di individui, senza modificarne i caratteri genetici. V F 2 I fattori di crescita inibiscono la divisione delle cellule cui sono diretti. V F 3 Tutte le cellule somatiche degli animali sono aploidi. V F 4 Se una cellula intestinale di cavalletta contiene 24 cromosomi, una cellula spermatica ne conterrà 48. V F 5 Nella metafase I della meiosi avviene la separazione dei centromeri dei cromatidi fratelli. V F Completa Completa le frasi con i termini corretti, scegliendo tra i due proposti in neretto. 6 I due cromosomi di una coppia di omologhi contengono informazioni genetiche identiche / per gli stessi caratteri in posizioni corrispondenti. 7 Osservando un cariotipo, è difficile distinguere un cromosoma in cui è presente una parte duplicata / invertita. Completa il brano con i termini corretti, scegliendo tra quelli proposti. 8 Nella avviene la sinapsi, durante la quale ogni coppia di cromosomi omologhi si appaia dando origine a una tetrade e permettendo il crossing over. Nella i cromosomi migrano verso i due poli della cellula, poi avviene la. Con la successiva, si formano quattro cellule aploidi chiamate gameti. [a] mitosi [b] meiosi I [c] meiosi II [d] profase I [e] anafase I [f] metafase I [g] telofase II [h] citodieresi conoscenze competenze Completa la figura con i termini mancanti. 9 La seguente fotografia, eseguita al microscopio ottico, mostra alcune cellule in divisione dell apice di una radice di cipolla. In quale stadio della mitosi si trovano le cellule numerate? Quale è in interfase? Completa la tabella. 10 Per ogni termine della colonna a sinistra (lettere), scrivi il numero della definizione corrispondente. A piano equatoriale B cinetocore C centrosoma D centromero E chiasma 1 centro di organizzazione dei microtubuli del fuso 2 piano in cui giacciono i cromosomi durante la metafase 3 punto in cui avviene il crossing over 4 struttura proteica cui si attaccano i microtubuli del fuso 5 punto in cui sono uniti due cromatidi fratelli A B C D E Descrivi, confronta, spiega Rispondi alle domande che seguono. 11 Descrivi la citodieresi nelle cellule vegetali e in quelle animali, confrontando i due processi. 12 Metti a confronto la mitosi e la meiosi. Quali sono le loro funzioni? Quale dei due processi produce cellule aploidi e quale cellule diploidi? Quali tipi di cellule vanno incontro a mitosi e quali a meiosi? Che tipo di cellule viene prodotto da ognuno dei due processi? Quante cellule vengono prodotte nei due processi? 13 Descrivi brevemente in che modo i tre diversi processi che hanno luogo durante un ciclo vitale con riproduzione sessuata aumentano la diversità genetica della prole Test your English Complete the following table to compare mitosis and meiosis. Number of chromosomal duplications Number of cell divisions Number of daughter cells produced Number of chromosomes in daughter cells How chromosomes line up during metaphase Genetic relationship of daughter cells to parent cell Functions performed in the human body A prova di biologo Pearson Italia S.p.A. Mitosis Meiosis 14 Calcola I globuli rossi, che portano ossigeno ai tessuti, vivono in media solo 120 giorni. Le cellule che li sostituiscono sono prodotte dalle divisioni cellulari che avvengono nel midollo osseo. Quante divisioni cellulari devono avvenire ogni secondo nel midollo osseo di un essere umano adulto per sostituire i globuli rossi? Ecco alcune informazioni da utilizzare per rispondere alla domanda. Ogni millimetro cubo (mm3) di sangue contiene circa 5 milioni di globuli rossi. Un adulto ha in media circa 5 litri (5000 cm3) di sangue. (Suggerimento: Qual è il numero totale di globuli rossi circolanti nel corpo di un individuo? Quale frazione di quel totale deve essere sostituita ogni giorno, tenendo conto che essi sono completamente sostituiti in 120 giorni?) 15 Formula ipotesi Il mulo deriva dall incrocio tra una femmina di cavallo e un maschio di asino. Uno spermatozoo di asino contiene 31 cromosomi e una cellula uovo di cavallo ne contiene 32; lo zigote contiene pertanto un totale di 63 cromosomi. Lo zigote si sviluppa normalmente. Il possesso di un corredo cromosomico derivante dalla combinazione di due corredi diversi (cavallo e asino) non costituisce un problema nella mitosi e il mulo presenta alcune delle caratteristiche migliori delle due specie. Il mulo, tuttavia, è sterile; la meiosi non può avvenire normalmente nei testicoli e nelle ovaie. Spiega perché il patrimonio genetico delle cellule del mulo permette la normale divisione mitotica mentre interferisce con il processo di meiosi. 172 Unità 8 Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà

28 Test Barra la risposta o il completamento corretto. 1 Tra la scissione binaria di un batterio e la divisione di una cellula umana ci sono numerose differenze. Quale delle seguenti non lo è? A una cellula umana va incontro a mitosi e citodieresi B i cromosomi umani sono più grandi e complessi di quelli di un batterio C un batterio deve duplicare un solo cromosoma, una cellula umana 46 D un batterio deve duplicare il suo DNA prima di dividersi, una cellula umana no 2 Quale tra le seguenti non è una funzione della mitosi negli esseri umani? A la crescita B la sostituzione di cellule distrutte o danneggiate C la produzione di gameti a partire da cellule diploidi D la moltiplicazione di cellule somatiche 3 Quali strutture portano le stesse informazioni genetiche? A i cromatidi fratelli B i cromosomi omologhi C i cromosomi X e Y D tutti gli autosomi 4 Perché è difficile osservare i singoli cromosomi durante l interfase? A perché il DNA non è stato ancora duplicato B perché sono sotto forma di filamenti lunghi e sottili C perché gli omologhi non si appaiano finché non ha inizio la divisione D perché, per essere visibili, il fuso deve portarli prima sul piano equatoriale 5 I cromatidi fratelli: A sono prodotti durante la fase S tra due divisioni cellulari B si separano durante la prima divisione meiotica C vanno incontro a crossing over durante la profase I della meiosi D sono anche chiamati cromosomi omologhi 6 Un biochimico ha misurato la quantità di DNA in un campione di cellule coltivate in vitro e ha rilevato che essa raddoppia: A tra la profase e l anafase della mitosi B tra le fasi G1 e G2 del ciclo cellulare C durante la fase M del ciclo cellulare D tra la profase I e la profase II della meiosi 7 Quale tra le seguenti fasi della mitosi è essenzialmente l opposto della profase, in termini di cambiamenti che hanno luogo nel nucleo? A interfase C anafase B metafase D telofase 8 Durante la profase della mitosi, una cellula di midollo osseo umana contiene 46 cromosomi. Quanti cromatidi conterrà complessivamente? A 46 B 92 C 23 o 46, dipende dal momento in cui viene osservata la profase D 46 o 92, dipende dal momento in cui viene osservata la profase 9 La citocalasina B è una sostanza chimica che disturba la formazione dei microfilamenti. Questa sostanza interferisce con: A la duplicazione del DNA B la formazione del fuso mitotico C la formazione del solco di divisione D il crossing over 10 La maggior parte delle cellule si divide solo se riceve un segnale appropriato al punto di controllo della fase: A G1 C G2 B S D M 11 La microfotografia di una cellula di topo che si sta dividendo ha rilevato 19 cromosomi, ciascuno dei quali costituito da due cromatidi fratelli. Durante quale fase della divisione cellulare può essere stata ottenuta questa immagine? Motiva la risposta. A l anafase della mitosi B la profase I della meiosi C la profase II della meiosi D la telofase II della meiosi 12 Quale dei seguenti eventi non porta all aumento della variabilità genetica? A la divisione dei cromosomi durante l anafase della mitosi B il crossing over durante la meiosi C le mutazioni D l orientazione dei cromosomi durante la metafase I test interattivi 13 Una cellula somatica della drosofila contiene 8 cromosomi. Quante combinazioni diverse di cromosomi sono possibili nei suoi gameti? A 4 B 8 C 16 D In una coppia di omologhi, uno dei cromosomi porta i geni J e K, e l altro, nei loci corrispondenti, gli alleli j e k degli stessi geni. Se avviene il crossing over, quali tipi di cromosomi ricombinanti si possono ottenere? [DUE RISPOSTE CORRETTE] A j e k B J e K C J e k D j e K E J e j 15 Se il frammento di un cromosoma si stacca e poi si riattacca al cromosoma originale dopo una rotazione di 180, l anomalia cromosomica che ne risulta è chiamata: A delezione B inversione C traslocazione D duplicazione 16 Perché gli individui con trisomia 21 (sindrome di Down) sono più numerosi di quelli con trisomia 3 o trisomia 16? A probabilmente le altre trisomie sono incompatibili con la sopravvivenza B probabilmente esistono più geni sul cromosoma 21 che sugli altri C la sindrome di Down non è più comune, ma più grave D rispetto agli altri, il cromosoma 21 ha maggiori probabilità di produrre un errore di non disgiunzione Verso l Esame Area di esercizi per allenarsi ad affrontare l Esame di Stato e le prove di ammissione alle facoltà scientifiche >> alla fine della parte B Area di sintesi e verifica 173