Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi

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1 UNITÀ 4 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi Missione di soccorso nelle foreste pluviali La divisione cellulare è il processo fondamentale alla base della riproduzione degli organismi. lezione 1 La divisione cellulare e la riproduzione Perché in tutti gli organismi le cellule si dividono? lezione 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Come si riproduce una cellula eucariote? 4.1 Il simile genera (più o meno) il simile 4.2 Una cellula può nascere soltanto da un altra cellula 4.3 I procarioti si riproducono per scissione binaria 4.4 I cromosomi degli eucarioti sono strutture complesse che si duplicano prima di ogni divisione cellulare 4.5 Il ciclo cellulare è l insieme degli eventi tra una divisione cellulare e la successiva 4.6 esplorando La divisione cellulare è una serie ininterrotta di cambiamenti dinamici 4.7 La citodieresi avviene in modo diverso nelle cellule animali e in quelle vegetali 4.8 La divisione cellulare è influenzata da fattori di crescita, dalla densità e dall ancoraggio a una superficie 4.9 I fattori di crescita controllano il ciclo cellulare scheda salute Una divisione cellulare incontrollata può portare allo sviluppo di tumori? 4.10 In sintesi: negli organismi pluricellulari la mitosi è fondamentale per la crescita, la sostituzione delle cellule e la riproduzione asessuata UN CONCETTO DOPO L ALTRO n Il percorso verde fornisce la base delle conoscenze disciplinari, che si possono arricchire con i concetti di livello blu e rosso scheda

2 LA CELLULA E LE BASI DELL EREDITARIETÀ PARTE A m 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. 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. lezione 3 La meiosi e il crossing over In che modo, grazie alla riproduzione sessuata, ogni individuo è diverso da tutti gli altri? lezione 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi Che cosa succede quando la meiosi non avviene nel modo corretto? 4.11 I cromosomi formano coppie omologhe 4.12 I gameti hanno un unico corredo cromosomico 4.13 esplorando La meiosi produce gameti aploidi 4.14 Mitosi e meiosi: due processi che presentano importanti analogie e differenze 4.15 La variabilità genetica della prole dipende dalla disposizione dei cromosomi nella meiosi e dalla casualità della fecondazione 4.16 Sui cromosomi omologhi si trovano versioni diverse dello stesso gene 4.17 Il crossing over aumenta ulteriormente la variabilità genetica nei gameti 4.18 Il cariotipo è la ricostruzione fotografica del corredo cromosomico di un individuo scheda salute Quale difetto genetico dà luogo alla sindrome di Down? 4.19 Un errore nella meiosi può dare origine a un numero errato di cromosomi 4.20 evoluzione Gli errori nella divisione cellulare non sono sempre dannosi e possono portare alla comparsa di nuove specie 4.21 Le alterazioni nella struttura dei cromosomi possono causare difetti congeniti e tumori scheda

3 LEZIONE 1 La divisione cellulare e la riproduzione Perché in tutti gli organismi le cellule si dividono? Mentre studi l unità, metti a fuoco il lessico progressivo evidenziato nel testo L ameba è un organismo unicellulare che vive tra il fango degli stagni e avanza lentamente espandendo un pseudopodo ora in una direzione ora in un altra. 98 saper VEDERE 4.1 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. Per esempio un organismo unicellulare come l ameba (Figura 4.1A) può generare soltanto altre amebe, mentre gli esseri umani possono generare soltanto altri esseri umani. 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 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 che, successivamente, si divide in due. Le due amebe figlie conterranno gli stessi cromosomi e saranno, quindi, geneticamente identiche 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 4.1B dimostra che, nelle specie con riproduzione sessuata come la nostra, il simile non genera esattamente il simile. I figli nati dalla riproduzione sessuata di Gli pseudopodi sono estroflessioni mobili del citoplasma. Figura 4.1A L'ameba si riproduce per via asessuata dividendosi in due cellule geneticamente identiche. LM 340 Figura 4.1B Con la riproduzione sessuata ogni individuo ha una combinazione di geni esclusiva. solito somigliano ai loro genitori più di quanto somiglino ad altri individui della stessa specie, 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). 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, come il cane o la mucca, possiedono alcune caratteristiche che gli allevatori umani hanno selezionato nei secoli all interno delle specie che erano riusciti ad addomesticare. Di conseguenza, sebbene tutti i cani domestici appartengano a una stessa specie, ogni razza presenta dei caratteri peculiari, dovuti all opera selettiva degli allevatori. Per ottenere le diverse razze, sono stati selezionati individui con tratti specifici che sono stati poi incrociati tra di loro. In un certo senso, è possibile dire che l allevamento selettivo è un tentativo di mettere in pratica la massima «il simile genera il simile» più di quanto avvenga normalmente in natura.

4 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 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. Questo principio è di fondamentale importanza in quanto afferma che 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. Esistono due tipi fondamentali di divisione cellulare : la mitosi e la meiosi. Nella mitosi il numero dei cromosomi rimane inalterato, mentre nella meiosi viene dimezzato. La mitosi è la divisione cellulare che permette l accrescimento e il mantenimento degli organismi pluricellulari: anche nel nostro corpo le cellule si dividono per mitosi, permettendo la riparazione dei tessuti danneggiati e il ricambio delle cellule ormai vecchie. Diversamente, negli eucarioti unicellulari come le amebe, la mitosi viene utilizzata per la riproduzione: quando una cellula si divide viene generato un nuovo individuo. Anche alcune specie pluricellulari possono utilizzare la mitosi per riprodursi; un esempio è la generazione di nuove piante tramite talea. Tuttavia, negli organismi pluricellulari che si riproducono per via sessuata, le cellule deputate alla riproduzione (cellula uovo e spermatozoi) vengono generate per meiosi. Questo fa sì che le cellule sessuali abbiano la metà dei cromosomi di un individuo adulto: il corredo cromosomico caratteristico di un individuo adulto si riformerà dalla fusione delle due cellule sessuali durante la fecondazione. Lavora con il lessico progressivo Completa. La riproduzione... dei procarioti è legata a un tipo di divisione cellulare chiamato I procarioti si riproducono per scissione binaria I procarioti (eubatteri e archebatteri) si riproducono mediante un tipo di divisione cellulare chiamato scissione binaria. 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. Pur essendo molto più piccolo dei cromosomi degli eucarioti, la duplicazione del cromosoma dei procarioti rappresenta comunque un impresa complessa per la cellula: basta pensare che quando si prepara per la duplicazione, il cromosoma del batterio Escherichia coli è circa 500 volte più lungo della cellula stessa! Nella Figura 4.3A è mostrata una fotografia al microscopio elettronico di un batterio in corso di divisione. La parte chiara rappresenta il cromosoma duplicato: è evidente che esso occupa gran parte dello spazio all interno della cellula. Lo schema della Figura 4.3B rappresenta i diversi passaggi della scissione binaria. A B cromosoma procariote copie del cromosoma batterico 1 2 membrana plasmatica parete cellulare duplicazione del cromosoma e separazione delle copie TEM la cellula continua ad allungarsi e le due copie del cromosoma si allontanano 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 identiche. 3 divisione in due cellule figlie Figura 4.3 A Fotografia al microscopio elettronico di un batterio in fase di divisione. B La scissione binaria è il tipo di divisione cellulare utilizzato dai procarioti per riprodursi. Utilizza il lessico progressivo per rispondere alla domanda guida della lezione 1 99

5 LEZIONE 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Come si riproduce una cellula eucariote? 4.4 I cromosomi degli eucarioti sono strutture complesse che si duplicano prima di ogni divisione cellulare Le cellule degli eucarioti sono più complesse e solitamente molto più grandi di quelle dei procarioti e 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 4.4A è la microfotografia di una cellula vegetale sul punto di dividersi; ogni fi lamento 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 procarioti, 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, mentre quelle di un cane ne hanno 78 (con l eccezione delle cellule sessuali). Prima di cominciare a dividersi, 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 4.4B 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 di ciascun cromosoma si separano (Figura 4.4C); ognuno dei due nuovi cromosomi si dirige 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. A B C cromatidi fratelli duplicazione del cromosoma centromero cromatidi fratelli Figura 4.4 A Una cellula vegetale subito prima della divisione. B Un cromosoma umano duplicato, visto al microscopio elettronico. C La duplicazione di un cromosoma e la distribuzione del materiale genetico alle cellule figlie. 100 LM 600 TEM distribuzione dei cromosomi alle cellule figlie

6 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 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 adulto. Nel nostro corpo, per esempio, milioni di cellule si dividono ogni secondo affinché 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 4.5), 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. 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; 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 2 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. fase G 1 mitotica (M) citodieresi mitosi Figura 4.5 Il ciclo della cellula eucariote. interfase G 2 (S) sintesi del DNA Biotunes bioflix La mitosi mp3 tutor Mitosis attività The cell cycle 101

7 esplorando 4.6 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 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 LM 250 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 degli organuli e compaiono due centrosomi nel citoplasma; all interno del nucleo i cromosomi sono ormai duplicati, ma non possono essere distinti perché ancora in forma di cromatina dispersa, non spiralizzata; nel nucleo sono evidenti uno o più nucleoli perché la cellula sta attivamente sintetizzando proteine (nei nucleoli, infatti, vengono assemblati i ribosomi, che hanno un ruolo fondamentale nella sintesi proteica). Durante questo stadio si verificano cambiamenti sia nel nucleo sia nel citoplasma. All interno del nucleo: le fibre di cromatina si spiralizzano e condensano 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 raggiungono i cromosomi, ora molto condensati; ciascun cromatidio è unito a una struttura proteica chiamata cinetocore, presente nel centromero; 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. 102

8 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 scheletro, 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. Biotunes attività Video sulla divisione cellulare metafase anafase telofase e citodieresi piano equatoriale solco di divisione nucleolo in formazione fuso 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 (in verde nelle microfotografie). Questa struttura di forma ovale è costituita da microtubuli, le fibre che costituiscono il citocromosomi 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 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 cominciano a formarsi i due nuovi nuclei; 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 Nella citodieresi si compie la separazione delle due cellule figlie. Di solito, la divisione del citoplasma avviene contemporaneamente alla telofase. Nelle cellule animali la citodieresi comporta la formazione di un solco di divisione, che divide in due la cellula. 103

9 LEZIONE 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Lavora con il lessico progressivo Completa. Al termine del..., dopo che la mitosi ha equamente ripartito i..., il processo di... porta alla formazione di due cellule figlie. Biotunes animazione La citodieresi nelle cellule vegetali 4.7 La citodieresi avviene in modo diverso nelle cellule animali e in quelle vegetali La citodieresi, cioè la divisione in due della cellula madre, inizia generalmente durante la telofase. Nelle cellule animali la citodieresi avviene grazie a un caratteristico processo di scissione. Come mostrato nella Figura 4.7A, 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 microfi lamenti costituiti da actina e miosina (le stesse proteine che intervengono nel meccanismo della contrazione muscolare). Quando i microfilamenti di actina interagiscono con la miosina, l anello si contrae, e strozza la cellula. Il solco si fa più profondo e divide la cellula in due permettendo la formazione di due nuove cellule figlie. Nelle cellule vegetali, che sono dotate di pareti cellulari rigide, la citodieresi segue un percorso diverso (Figura 4.7B). 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 della cellula madre, le due cellule figlie, ognuna circondata da una membrana plasmatica e da una parete cellulare, si separano. parete della cellula madre formazione della piastra cellulare nucleo della cellula figlia immagini ingrandite 106% adattare caption solco di divisione SEM 140 LM 1050 parete cellulare nuova parete cellulare solco di divisione anello di microfilamenti che si contrae cellule figlie vescicole contenenti i materiali della parete cellulare piastra cellulare cellule figlie Figura 4.7A La citodieresi di una cellula animale. Figura 4.7B La citodieresi di una cellula vegetale. 104

10 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ La divisione cellulare è influenzata da fattori di crescita, dalla densità e dall ancoraggio a una superficie Una pianta o un animale può crescere e svilupparsi normalmente soltanto se è in grado di controllare il ritmo delle divisioni cellulari nelle diverse parti del proprio corpo. In un essere umano adulto, per esempio, le cellule della pelle e quelle che rivestono l apparato digerente si dividono in continuazione per sostituire le cellule vecchie e danneggiate che vengono continuamente eliminate. Al contrario, le cellule del fegato di solito non si dividono, a meno che l organo non abbia subito danni; in questo caso, la divisione cellulare serve a riparare le 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 questo processo. L effetto dei fattori di crescita. Quando le cellule vengono coltivate in laboratorio devono necessariamente crescere in mezzi di coltura contenenti particolari sostanze. La maggior parte delle cellule dei mammiferi, infatti, si divide in coltura soltanto in presenza di fattori di crescita specifici (Figura 4.8A). Un fattore di crescita è una proteina che stimola la divisione di alcune cellule. Fino a oggi gli scienziati hanno scoperto almeno 50 diversi fattori di crescita in grado di innescare la divisione cellulare. Diversi tipi di cellule rispondono a diversi fattori di crescita, o a una loro combinazione. Per esempio, una ferita sulla pelle induce le piastrine, particolari cellule 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. L inibizione da contatto. La divisione cellulare può interrompersi quando la densità della popolazione cellulare diventa troppo alta. In base a questo fenomeno, detto inibizione da contatto, le cellule animali crescono sulla superficie di una piastra da coltura fi no a formare un singolo strato e generalmente smettono di dividersi quando entrano in contatto reciproco (Figura 4.8B). 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. La dipendenza dall ancoraggio. La maggior parte delle cellule animali e vegetali tende a dividersi soltanto se è a contatto con una superficie solida. Questa dipendenza dall ancoraggio sembra impedire la crescita anomala delle cellule che, per qualche motivo, si staccano dal loro normale sito di crescita. Nei tessuti degli esseri 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. le cellule si ancorano alla superficie della piastra per coltura e si dividono coltura di cellule aggiunta del fattore di crescita 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 4.8A L effetto dei fattori di crescita sulla divisione di cellule animali in coltura. Figura 4.8B L inibizione da contatto, osservata nelle cellule animali in coltura. 105

11 LEZIONE 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Biotunes inquiry Do molecular signals in the cytoplasm regulate the cell cycle? 4.9 I fattori di crescita controllano il ciclo cellulare Nei tessuti animali la maggior parte delle cellule si trova ancorata in una posizione fissa, immersa in una soluzione di sostanze nutritive fornite dal sangue. Di solito la cellula non si divide a meno che non riceva segnali specifici da parte di altre cellule, solitamente costituiti da fattori di crescita. Il ciclo cellulare è, infatti, finemente regolato da un sistema di controllo rappresentato dalla manopola al centro del disegno nello schema della Figura 4.9A. Questo sistema di controllo del ciclo cellulare consiste in una serie di molecole proteiche che, ciclicamente, innescano e coordinano gli eventi chiave del ciclo stesso. Quest ultimo non deve però essere immaginato come una sequenza di eventi che si susseguono automaticamente uno dopo l altro. Nella fase mitotica, per esempio, la metafase non porta automaticamente all anafase, ma sono le proteine del sistema di controllo a 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 inseriti nelle sottofasi G 1 e G 2 dell interfase, e nella fase M. In questi particolari momenti, rappresentati dalle barrette rosse nella Figura 4.9A, il ciclo cellulare 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 che i processi cellulari si sono svolti correttamente fino a quel punto e che il ciclo può proseguire. 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. Per esempio, quando il sistema di controllo del ciclo cellulare dà il segnale di via libera per il punto di controllo G 1, 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 più. Le cellule che non si dividono (per esempio le cellule nervose e le cellule muscolari) sono sempre ferme nella fase G 0. La Figura 4.9B 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. 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 una cascata di reazioni che, in questo caso, conduce alla divisione cellulare. 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. L innesco della cascata di reazioni intracellulari in seguito al legame tra una proteina extracellulare e un recettore di membrana è chiamato trasduzione del segnale. Il funzionamento di questo meccanismo rappresenta una delle ricerche di punta in ambito biomedico. Questi studi ci portano a una migliore comprensione dello sviluppo dei tumori, argomento della prossima scheda. G 0 punto di controllo G 1 fattore di crescita membrana plasmatica proteine ripetitrici G 1 M sistema di controllo G 2 S proteina recettrice via di trasduzione del segnale punto di controllo G 1 G 1 sistema di controllo S punto di controllo M punto di controllo G 2 Figura 4.9A Schema del sistema di controllo del ciclo cellulare. Figura 4.9B L azione di un fattore di crescita sul sistema di controllo del ciclo cellulare. M G 2 106

12 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 collegamento salute Una divisione cellulare incontrollata può portare allo sviluppo di tumori? Il cancro è una malattia legata all errato funzionamento del ciclo cellulare. Le cellule si dividono in modo eccessivo fino a formare masse cellulari anomale, dette tumori, che possono invadere altri tessuti dell organismo. f Il cancro, che colpisce circa una persona su cinque nei paesi industrializzati, è una malattia legata all errato funzionamento del ciclo cellulare. A volte capita che, in seguito a mutazioni genetiche, alcune cellule non rispondano più al sistema di controllo del ciclo cellulare e inizino a dividersi in modo eccessivo. Queste masse cellulari anomale, chiamate tumori, possono diventare molto grandi e causare dei gravi malfunzionamenti nell organo dove si sono formate. Inoltre, le cellule tumorali possono entrare nel circolo sanguigno o linfatico, invadendo altri tessuti dell organismo. tumore tessuto ghiandolare 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 o la mammella, 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. Alcune cellule tumorali possono poi separarsi vasi linfatici vaso sanguigno 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. COMPETENZE IN AZIONE 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 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), o con farmaci specifici (chemioterapia). Questi ultimi, somministrati in trattamenti periodici, interferiscono con specifici passaggi del ciclo cellulare. Per esempio, il taxolo, sostanza scoperta nella corteccia del tasso della California Taxus brevifolia, ha la capacità di congelare il fuso mitotico impedendo alle cellule di completare la divisione. Gli effetti collaterali della chemioterapia sono riconducibili all azione dei farmaci sulle cellule sane: la nausea deriva dagli effetti della chemioterapia sulle cellule intestinali, la perdita dei capelli dai danni sulle cellule dei follicoli piliferi, la predisposizione alle infezioni dalla distruzione delle cellule del sistema immunitario. 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. f Cellule fuori controllo Studiando le cellule tumorali in coltura, gli scienziati hanno scoperto che non obbediscono ai segnali che normalmente regolano il ciclo cellulare. Per esempio non presentano l inibizione da contatto, ma continuano a dividersi. Molte hanno un sistema di controllo difettoso che non arresta il ciclo cellulare nei punti di controllo neppure quando mancano i fattori di crescita. Inoltre, queste cellule fuori controllo sembrano immortali : se messe in coltura possono continuare a dividersi all infinito finché hanno a disposizione le sostanze nutritive necessarie. Ricerche e Attività 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 poi, assieme ai tuoi compagni, immagina di dover realizzare una campagna di informazione rivolta ai giovani per sensibilizzarli sui rischi legati al fumo. 107

13 LEZIONE 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Lavora con il lessico progressivo Completa. Le cellule tumorali non rispondono più al... del ciclo cellulare, così possono andare incontro a ripetute.... Utilizza il lessico progressivo per rispondere alla domanda guida della lezione In sintesi: negli organismi pluricellulari la mitosi è fondamentale per la crescita, la sostituzione delle cellule e la riproduzione asessuata Le tre microfotografie riassumono i diversi ruoli della mitosi nella vita degli organismi pluricellulari. Nei tessuti dell apice radicale della cipolla (Figura 4.10A) l intensa divisione cellulare produce nuove cellule e determina la crescita della radice. Il midollo osseo umano (Figura 4.10B), contenuto all interno delle ossa (in particolare costole, vertebre, sterno e ossa del bacino), dividendosi senza sosta produce nuove cellule del sangue che sostituiscono quelle ormai vecchie. Processi simili sono importanti per il rinnovamento delle cellule in tutto il corpo, come le cellule della pelle, derivanti dall intensa divisione cellulare dell epidermide. L idra ( Figura 4.10C), un piccolo organismo pluricellulare che vive nelle pozze d acqua dolce, si riproduce sia per via sessuata sia per via asessuata. L individuo nella microfotografia si sta riproducendo per via asessuata mediante gemmazione. Una gemma ha inizio come una piccola massa di cellule che cresce su un lato del genitore. Dalla gemma si sviluppa poi una piccola idra che si stacca e inizia una propria vita autonoma. Nei tre esempi illustrati 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. saper VEDERE L idra è un organismo pluricellulare che vive spesso ancorato sul fondo delle pozze d acqua dolce. Quando si riproduce è possibile osservare un idra figlia prima che si stacchi dal corpo del genitore. Figura 4.10A La divisione delle cellule in una radice di cipolla in crescita. LM 500 Figura 4.10B La divisione di una cellula del midollo osseo. LM 700 Figura 4.10C La riproduzione asessuata di un idra. LM 20 LEZIONE 3 La meiosi e il crossing over In che modo, grazie alla riproduzione sessuata, ogni individuo è diverso da tutti gli altri? I cromosomi formano coppie omologhe Tutte le cellule del corpo umano (escluse le cellule sessuali) vengono indicate come cellule somatiche e hanno 46 cromosomi. Nel complesso, ogni cellula somatica umana contiene 23 coppie di cromosomi, ognuno costituito da due cromatidi fratelli uniti in corrispondenza del centromero (Figura 4.11). Anche 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 stessa coppia mostrano una identica sequenza di bande colorate, come evidenziato nella Figura Negli esseri 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. 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

14 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 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. 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. coppia di cromosomi omologhi I cromosomi sessuali. Delle 23 coppie di cromosomi degli esseri umani solo una coppia (costituita dai cromosomi sessuali) determina il sesso di un individuo. Le femmine 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 cromatidi fratelli centromero Figura 4.11 Una coppia di cromosomi omologhi I gameti hanno un unico corredo cromosomico Il possesso di due insiemi di cromosomi, ciascuno dei quali ereditato da uno dei genitori, è un fattore chiave nel ciclo vitale della nostra specie (Figura 4.12) 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 = 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, infatti, un corredo cromosomico dimezzato: 22 autosomi singoli 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 = 23. 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; con la fecondazione i due gameti si fondono dando origine a una cellula diploide, detta zigote. Il ciclo vitale si completa quando dallo zigote si sviluppa un adulto sessualmente maturo. Il processo di divisione mitotica permette lo sviluppo e l accrescimento del nuovo individuo e assicura che tutte le sue cellule 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. Una particolare divisione cellulare, detta meiosi, consente il dimezzamento del corredo cromosomico durante la produzione dei gameti. aploidi (n) diploidi (2n) MEIOSI ovaie gameti aploidi (n 23) spermatozoo (n) testicoli mitosi e sviluppo adulti pluricellulari diploidi (2n 46) oocita (n) FECONDAZIONE zigote diploide (2n 46) Figura 4.12 Il ciclo vitale umano. 109

15 esplorando 4.13 La meiosi produce gameti aploidi La meiosi è la divisione cellulare che produce gameti aploidi (n) a partire da cellule diploidi (2n). Il processo della meiosi è per molti aspetti simile alla mitosi. Come quest ultima, è preceduta da un interfase (non mostrata in figura), 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 di- 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 e lunga della meiosi. All inizio la cromatina si spiralizza e i cromosomi diventano visibili al microscopio. I cromosomi omologhi si appaiano dando origine a strutture chiamate tetradi. In questa fase i cromatidi dei cromosomi omologhi si scambiano segmenti di DNA in un processo chiamato crossing over. Questo processo contribuisce alla variabilità genetica delle popolazioni a riproduzione sessuata. 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 mitotico. 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. Ognic romosoma è condensato e ispessito, con i cromatidi fratelli uniti in corrispondenza del centromero. I cromosomi omologhi di ogni tetrade sono uniti a microtubuli diversi: in questo modo sono pronti a migrare verso i poli opposti della cellula. Anafase I I cromosomi migrano verso i due poli della cellula. A differenza di quanto avviene nella mitosi, i cromatidi fratelli che costituiscono ciascun cromosoma duplicato rimangono uniti a livello del centromero. Soltanto le tetradi (le coppie di cromosomi omologhi) si dividono. 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. 110

16 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 visioni cellulari consecutive, chiamate meiosi I e meiosi II: la meiosi II è sostanzialmente una mitosi, con la fondamentale differenza che inizia con una cellula aploide. Queste due divisioni successive 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 = 6). Biotunes bioflix La meiosi mp3 tutor Meiosis 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. 111

17 LEZIONE 3 La meiosi e il crossing over Lavora con il lessico progressivo Completa. A differenza delle cellule somatiche, i... possiedono un corredo cromosomico aploide, poiché con la meiosi i... vengono separati. Figura 4.14 Confronto tra mitosi e meiosi Mitosi e meiosi: due processi che presentano importanti analogie e differenze Nei paragrafi precedenti abbiamo esaminato le due modalità con cui si dividono le cellule degli eucarioti. 1. La mitosi (che provvede alla crescita dell organismo, alla riparazione dei tessuti e alla riproduzione asessuata) produce cellule figlie diploidi, geneticamente identiche alla cellula madre. 2. La meiosi, necessaria per la riproduzione sessuata, produce invece cellule figlie aploidi, 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 4.14 mette a confronto la mitosi e la meiosi a partire da una cellula madre diploide con quattro cromosomi (2n = 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). MITOSI MEIOSI cellula madre (prima della duplicazione dei cromosomi) sito del crossing over MEIOSI I profase cromosoma duplicato (due cromatidi fratelli) duplicazione dei cromosomi 2n 4 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 2 cellule figlie prodotte con la meiosi I 2n Biotunes mp3 tutor Mitosis-meiosis comparison cellule prodotte con la mitosi 2n 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 112

18 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ La variabilità genetica della prole dipende dalla disposizione dei cromosomi nella meiosi e dalla casualità della fecondazione Come abbiamo visto nel paragrafo 4.1, 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 4.15 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 sulla variabilità risultante nei gameti. Nella figura sono utilizzati colori diversi per distinguere i cromosomi di provenienza materna (in rosso) e paterna (in azzurro). I colori diversi evidenziano un aspetto importante: seppure apparentemente identici al microscopio, i cromosomi di origine materna sono geneticamente diversi dai rispettivi omologhi di origine paterna, perché possono contenere versioni diverse dei geni che codificano per lo stesso carattere. 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, durane 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 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 = 4), nei gameti sono possibili quattro combinazioni diverse di cromosomi. 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 = 2; quindi il numero delle combinazioni cromosomiche è 2 2, cioè 4. Per un essere umano (n = 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 ( ) ( ) 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. Biotunes animazione L assortimento indipendente animazione La fusione dei gameti caso 1 caso 2 due configurazioni cromosomiche ugualmente probabili (metafase I) metafase II gameti combinazione 1 combinazione 2 combinazione 3 combinazione 4 Figura 4.15 Il risultato della disposizione casuale dei cromosomi nella metafase I. 113

19 LEZIONE 3 La meiosi e il crossing over 4.16 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. 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 4.16). Le lettere sui cromosomi omologhi rappresentano singoli geni. Nel paragrafo 4.11 abbiamo visto che i cromosomi omologhi contengono nella stessa posizione geni che codificano per lo stesso carattere. Il nostro esempio riguarda due ipotetici geni che controllano l aspetto fi sico dei topi. Supponiamo che C e c siano diverse versioni, chiamate alleli, di un gene che determina il colore del pelo nei topi. In particolare, C determina la colorazione marrone (il topo in alto nella Figura 4.16) mentre c è responsabile della colorazione bianca (il topo in basso). Allo stesso modo E determina gli occhi neri, mentre e gli occhi rossi. 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 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. geni per il colore del pelo geni per il colore degli occhi Figura 4.16 I cromosomi omologhi possono essere portatori di informazioni genetiche diverse per la stessa caratteristica. marrone C c bianco nero E e rosa tetrade nella cellula madre (coppia di cromosomi omologhi duplicati) meiosi C E C E c e c e cromosomi nei 4 gameti meiosi meiosi pelo marrone (C ); occhi neri (E) pelo bianco (c ); occhi rosa (e) 4.17 Il crossing over aumenta ulteriormente la variabilità genetica nei gameti Durante la profase I della meiosi può avvenire uno scambio di materiale genetico tra i cromosomi omologhi che aumenta ulteriormente la variabilità genetica presente nei gameti. Questo scambio, detto crossing over, avviene quando i cromosomi sono appaiati a formare una tetrade composta da quattro cromatidi, nella quale i due cromatidi di uno stesso cromosoma sono attaccati a livello del centromero (Figura 4.17A). I siti in cui ha luogo il crossing over appaiono come regioni a forma di X al microscopio e sono, per questo, 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 4.17A La formazione di chiasmi durante la meiosi. TEM 114

20 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 Le tappe del crossing over. La Figura 4.17B fa riferimento agli stessi geni del topo considerati nel paragrafo precedente per dimostrare come il crossing over possa produrre nuove combinazioni degli stessi geni. 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). 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. geni per il colore del pelo C c C c C c 1 2 geni per il colore degli occhi E e i cromatidi omologhi si spezzano E e i cromatidi omologhi si saldano nuovamente E e tetrade (coppia di cromosomi omologhi) chiasma Lavora con il lessico progressivo Completa. Durante la profase I della..., i cromosomi omologhi vanno incontro a..., generando nuove combinazioni di geni. 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 4.16). 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 ad alcuno dei cromosomi presenti nelle altre nostre cellule. C C c c C C c c 3 4 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 Biotunes attività Le origini della variabilità genetica Figura 4.17B Il crossing over è un meccanismo che causa la ricombinazione genetica. 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. 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. Utilizza il lessico progressivo per rispondere alla domanda guida della lezione 3 115

21 LEZIONE 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi Che cosa succede quando la meiosi non avviene nel modo corretto? 4.18 Il cariotipo è la ricostruzione fotografica del corredo cromosomico di un individuo È possibile che durante la meiosi si verifichino degli errori. Quando questo avviene, i gameti possono contenere un numero sbagliato di cromosomi o presentare gravi alterazioni strutturali. Partecipando alla fecondazione gameti di questo tipo possono dare origine a discendenti che presentano delle 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 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 sostanza chimica che blocca la mitosi alla metafase, lo stadio in cui i cromosomi sono maggiormente condensati (Figura 4.18). Nella figura potete vedere il cariotipo di un essere umano sano di sesso maschile: i 46 cromosomi sono disposti in 23 coppie omologhe (gli autosomi numerati da 1 a 22, più una coppia di cromosomi sessuali, 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 21, cioè la presenza di tre cromosomi 21, una condizione che affronteremo nella scheda a fianco. Biotunes research method Preparing a karyotype 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 2600 Figura 4.18 La preparazione di un cariotipo a partire da un campione di sangue. 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. 5 Si ottiene una rappresentazione ordinata dei cromosomi che costituisce il cariotipo. I 46 cromosomi rappresentati comprendono 22 coppie di autosomi e 2 cromosomi sessuali, X e Y. Ognuno dei cromosomi comprende due cromatidi fratelli molto vicini l uno all altro. 116

22 Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 collegamento salute Quale difetto genetico dà luogo alla sindrome di Down? La trisomia 21, o sindrome di Down, è una delle più comuni alterazioni a carico del numero dei cromosomi e interessa circa un bambino su 700. Il 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. f 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). COMPETENZE IN AZIONE La ragione del nome trisomia 21 è evidente osservando il cariotipo di una persona affetta da questa sindrome: le copie del cromosoma 21 sono tre, anziché due Gli individui affetti da sindrome di Down mostrano dei 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. f Le persone affette da questa patologia hanno generalmente 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%. Ricerche e Attività 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 al riguardo. Neonati con sindrome di Down (su 1000 nati) Età della madre L incidenza della sindrome di Down nella prole di genitori sani aumenta in modo evidente con l età della madre: meno dello 0,05% nei bambini nati da donne di età inferiore ai trent anni (meno di 1 su 2000) e l 1% nelle donne di quarant anni (circa 10 bambini su 1000). Il rischio è ancora maggiore per le donne più anziane; per questo le donne in gravidanza di età superiore ai 35 anni sono invitate a sottoporsi a esami di laboratorio specifici al fine di rilevare questa e altre anomalie cromosomiche. 117

23 LEZIONE 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi Figura 4.19 A Esempio di non disgiunzione nella meiosi I. B Esempio di non disgiunzione nella meiosi II Un errore nella meiosi può dare origine a un numero errato di cromosomi 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 fratelli. Gli effetti della non disgiunzione. Le Figure 4.19A e B illustrano due casi in cui può verificarsi la non disgiunzione. In entrambe le figure, la cellula iniziale si trova nello stadio di anafase della meiosi I. Quando la mancata separazione dei cromosomi omologhi avviene in questo stadio (Figura 4.19A), 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 4.19B, 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. Quando nella fecondazione un gamete anomalo si unisce con un gamete normale dà origine a uno zigote con numero errato di cromosomi: con le successive divisioni cellulari l anomalia viene trasmessa a tutte le cellule dell embrione. 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. 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 4.9) che coordinano il processo della meiosi. A B non disgiunzione nella meiosi I meiosi I normale meiosi II normale non disgiunzione nella meiosi II gameti gameti La poliploidia. Studiando le modificazioni degli organismi legate alle alterazioni del numero dei cromosomi, i biologi sono giunti a ipon 1 n 1 n 1 n 1 numero di cromosomi n 1 n 1 n n numero di cromosomi alla luce dell evoluzione 4.20 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. La Tabella 4.20 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. 118

24 tizzare 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 svi- Tabella 4.20 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) nessuna (maschio normale) nessuna (femmina normale) sindrome di Turner (femmine di bassa statura e sterili) Come si dividono le cellule: mitosi e meiosi UNITÀ 4 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 lupparsi 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. 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. frequenza nella popolazione 1/2000 1/2000 1/1000 1/5000 Lavora con il lessico progressivo Completa. Analizzando il... di un individuo affetto da... è possibile osservare tre copie del cromosoma 21, determinate dalla... durante la meiosi 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 delle modificazioni che spesso hanno effetti negativi sui geni. Nella Figura 4.21 sono illustrate tre diverse alterazioni della struttura dei cromosomi (le frecce indicano i punti di rottura del cromosoma): si inserisce in un altro cromosoma non omologo. Alcune traslocazioni non hanno effetto, mentre altre risultano molto dannose, come quella associata alla leucemia mieloide cronica (LMC), una tipologia di cancro che affl igge le cellule del midollo osseo. In questa mutazione una parte del cromosoma 22 si è scambiata di posto con un piccolo frammento del cromosoma 9. delezione Figura 4.21 Le possibili alterazioni della struttura cromosomica. 1. se il cromosoma perde un frammento, si verifica una delezione (cioè l eliminazione di informazione genetica); questo tipo di mutazione è sempre grave; 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; 4. la traslocazione avviene quando un frammento di un cromosoma cromosomi omologhi cromosomi non omologhi duplicazione inversione traslocazione reciproca Utilizza il lessico progressivo per rispondere alla domanda guida della lezione 4 119

25 Costruisci le tue conoscenze Biotunes sintesi e glossario palestra di biologia lezione 1 La divisione cellulare e la riproduzione Perché in tutti gli organismi le cellule si dividono? 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, invece, i figli sono il frutto di una combinazione esclusiva di geni provenienti metà dal padre e metà dalla madre. Negli organismi 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 mediante scissione binaria. lezione 2 Il ciclo cellulare delle cellule eucariote e la mitosi Come si riproduce una cellula eucariote? La divisione cellulare è una fase del ciclo cellulare, che comprende l interfase, suddivisa nelle sottofasi G₁ S e G₂, e la fase mitotica, divisa, a sua volta, in due stadi: mitosi e citodieresi. Durante la sottofase S, ciascun cromosoma si duplica dando origine a due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero. 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 nuove cellule. Con la citodieresi la cellula si divide in due. La maggior parte delle cellule si divide solo in presenza di specifici fattori di crescita. La divisione cellulare, inoltre, può interrompersi quando la densità delle cellule è troppo alta (inibizione da contatto), e sembra dipendere dalla presenza di una superficie solida, come la matrice extracellulare di un tessuto (dipendenza dall ancoraggio). 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. Le cellule tumorali non rispondono normalmente ai segnali che regolano il ciclo cellulare. lezione 3 La meiosi e il crossing over In che modo, grazie alla riproduzione sessuata, ogni individuo è diverso da tutti gli altri? caso 1 caso 2 due configurazioni cromosomiche ugualmente probabili (metafase I) metafase II gameti combinazione 1 combinazione 2 combinazione 3 combinazione 4 Tutte le cellule somatiche del corpo umano hanno 23 coppie di cromosomi omologhi (22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali, X e Y), e sono pertanto diploidi (2n). I gameti sono invece aploidi (n) perché possiedono soltanto un cromosoma per ogni coppia di omologhi. Durante la fecondazione, due cellule sessuali aploidi 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 dei gameti è la meiosi. Nella meiosi I, gli omologhi di ciascuna coppia si separano e si formano due cellule figlie aploidi. Durante la meiosi II, in ognuna delle due cellule, i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si separano. Mentre con la mitosi una cellula madre genera due cellule figlie geneticamente identiche a se stessa, con la meiosi, una cellula madre diploide dà origine a quattro gameti aploidi geneticamente diversi. Durante la meiosi infatti avviene una ricombinazione genetica grazie al fenomeno del crossing over, che permette lo scambio di porzioni di DNA tra cromosomi omologhi. I cromosomi omologhi contengono geni che codificano per gli stessi caratteri, ma possono avere versioni alternative dello stesso gene, chiamate alleli. La grande variabilità genetica della progenie che deriva dalla riproduzione sessuata dipende da tre processi: la disposizione casuale delle coppie di cromosomi omologhi nella metafase I della meiosi; l assortimento casuale dei gameti che si fondono nella fecondazione; la ricombinazione genetica che risulta dal crossing over. lezione 4 Le alterazioni del numero e della struttura dei cromosomi Che cosa succede quando la meiosi non avviene nel modo corretto? Errori durante la meiosi possono originare gameti con alterazioni del numero o della struttura dei cromosomi. Per individuare queste alterazioni si esamina il cariotipo, cioè la rappresentazione fotografica di tutti i cromosomi di un individuo. Una delle più note alterazioni del numero dei cromosomi è la 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. In alcuni casi, gli individui con un corredo cromosomico superiore al numero diploide (poliploidia) 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 contribuire allo sviluppo del cancro. 120

26 Verifica le tue competenze Biotunes test interattivo UNITÀ 4 CONOSCENZE ABILITÀ Completa le frasi con i termini corretti. 1 I cromatidi fratelli sono prodotti durante la fase S tra due. 2 Durante la della meiosi ciascuna coppia di cromosomi omologhi si appaia dando origine a una tetrade e permettendo il. Per ciascuno dei seguenti termini (lettere), scrivi nella tabella il numero della definizione o dell esempio corrispondente. 3 A piano equatoriale B cinetocore C centrosoma D centromero E chiasma 1 centro di organizzazione dei microtubuli del fuso 2 posizione in cui giacciono i cromosomi durante la metafase 3 punto in cui avviene il crossing over 4 struttura proteica a cui si attaccano i microtubuli del fuso 5 punto in cui sono uniti due cromatidi fratelli A B C D E Completa le frasi con i termini corretti, scegliendo tra i due proposti in neretto. 9 I due cromosomi di una coppia di omologhi contengono informazioni genetiche identiche / per gli stessi caratteri in posizioni corrispondenti. 10 Osservando un cariotipo, è difficile distinguere un cromosoma in cui è presente una parte duplicata / invertita. 11 La microfotografia di una cellula di topo che si sta dividendo ha rilevato 19 cromosomi, ciascuno dei quali costituito da due cromatidi fratelli: l immagine si riferisce alla anafase della mitosi / profase II della meiosi. Per ciascuna affermazione indica se è vera [V] o falsa [F]. 12 Negli organismi eucarioti unicellulari, la mitosi aumenta il numero di individui, senza modificarne i caratteri genetici. V F 13 Se una cellula intestinale di cavalletta contiene 24 cromosomi, una cellula spermatica dello stesso insetto ne conterrà 48. V F Per ciascuna affermazione indica se è vera [V] o falsa [F]. Se è falsa, falla diventare vera cambiando i termini evidenziati in neretto. 4 I fattori di crescita inibiscono la divisione delle cellule cui sono diretti. V F 5 Tutte le cellule somatiche degli animali sono aploidi. V F 6 Nella metafase I della meiosi avviene la separazione dei centromeri dei cromatidi fratelli. V F Barra la risposta o il completamento corretti. 7 Tra la scissione binaria di un batterio e la divisione di una cellula umana ci sono numerose differenze. Quale non è corretta? 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. 8 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 prima portarli sul piano equatoriale. 14 I cromosomi umani X e Y portano le stesse informazioni genetiche. V F Barra la risposta o il completamento corretti. 15 Un biochimico ha misurato la quantità di DNA in un campione di cellule coltivate in vitro e ha rilevato che essa raddoppia: A fra la profase e l anafase della mitosi. B fra le fasi G 1 e G 2 del ciclo cellulare. C durante la fase M del ciclo cellulare. D fra la profase I e la profase II della meiosi. 16 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 Campus Area di esercizi per allenarsi ad affrontare le prove di ammissione alle facoltà scientifiche» alla fine della parte A COMPETENZE IN AZIONE 121

27 Mettiti alla prova Biotunes mappa interattiva palestra di biologia OSSERVA E RISPONDI La seguente fotografia, eseguita al microscopio ottico, mostra alcune cellule dell apice di una radice di cipolla, un tessuto le cui cellule sono in rapida divisione. A. In quale stadio della mitosi si trovano le cellule numerate? B. Tra quelle numerate, quale cellula subirà per prima la citodieresi? C. Le cellule raffigurate andranno mai incontro a meiosi? COLLEGA 5 Completa la mappa inserendo i termini mancanti. fa parte del LA DIVISIONE CELLULARE è alla base della è regolata da che regolano il punti di controllo agenti su DESCRIVI, CONFRONTA, SPIEGA Rispondi alle domande che seguono. 2 Descrivi la citodieresi nelle cellule vegetali e in quelle animali, confrontando i due processi. sessuata che richiede la 3 Metti a confronto la mitosi e la meiosi. Quali sono le loro funzioni? Quale dei due processi produce cellule aploidi e quale diploidi? Quali tipi di cellule vanno incontro a mitosi e quali a meiosi? Che tipo di cellule viene prodotto da ognuno? Quante cellule vengono prodotte nei due processi? 4 Descrivi brevemente in che modo i tre diversi processi che hanno luogo durante un ciclo vitale con riproduzione sessuale aumentano la variabilità genetica della prole. una cellula madre diploide (2n) si formano in cui da A PROVA DI BIOLOGO meiosi 6 Formula ipotesi I batteri sono in grado di dividersi molto più velocemente delle cellule eucariote. Alcuni batteri, per esempio, possono dividersi ogni 20 minuti, mentre per le cellule eucariote, anche in un embrione in rapido sviluppo, il tempo minimo richiesto è di circa un ora; la maggior parte delle cellule, comunque, si divide molto meno spesso. Formula alcune ipotesi verificabili che spieghino perché i batteri possono dividersi a una velocità maggiore rispetto alle cellule eucariote. COMPETENZE IN AZIONE Read Write Listen and Speak Biology Area di letture e attività in lingua inglese; leggi la scheda Cell Growth and Division» alla fine della parte A 7 Formula ipotesi Il mulo deriva dall incrocio fra 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. 122

28 Entra nell esperimento Biotunes guida all analisi UNITÀ 4 Quanto dura la sottofase S del ciclo cellulare? IPOTESI Nessuna ipotesi esplicita: l esperimento ha lo scopo di osservare A L ESPERIMENTO 1 I ricercatori marcano le cellule della coltura aggiungendo timina radioattiva (T*). Questa base azotata viene incorporata solo dalle cellule che sintetizzano DNA. T* 2 Dopo 30 minuti i ricercatori interrompono la marcatura eliminando la timina radioattiva che non è stata prelevata dalle cellule. T* 3 Grazie a una tecnica che permette di individuare le cellule marcate, i ricercatori ne seguono il ciclo vitale per le successive 2, 4, 6, 16 ore. B I RISULTATI 4 Seguendo il ciclo vitale delle cellule nelle ore successive alla marcatura, i ricercatori elaborano il grafico qui sotto. Percentuale di cellule marcate che vanno incontro a mitosi fine della marcatura a) le prime cellule marcate iniziano la mitosi b) Tempo dal termine della marcatura (ore) A ANALIZZA L ESPERIMENTO Le cellule che sintetizzano DNA utilizzando timina radioattiva (1) si trovano nella sottofase S del ciclo cellulare. Al termine della marcatura (2), quando inizia l osservazione dei ricercatori (3), alcune di esse hanno appena iniziato la sottofase S, altre ci si trovano già da un po, alcune addirittura l hanno già terminata, ma da non più di 30 minuti. 1. Tutte le cellule della coltura vengono marcate V F con la timina radioattiva. 2. Tra tutte le cellule della coltura, vengono marcate V F solo quelle che sintetizzano DNA durante i 30 minuti di esposizione alla timina radioattiva. 3. Non tutte le cellule figlie generate da cellule madri V F marcate saranno a loro volta marcate. B ESAMINA I RISULTATI Il grafico ottenuto dai ricercatori (4) mostra la percentuale di cellule marcate che giungono alla fase M nel corso del tempo. La curva rappresentata può essere chiaramente suddivisa in due porzioni, a) e b). 4. Che cosa possono dedurre i ricercatori osservando l intervallo a) nel grafico dei risultati? A Le cellule marcate entrano nella fase M subito dopo la sottofase S. B Tra la fine della sottofase S e l inizio della fase M passano circa 8 ore. C Tra la fine della sottofase S e l inizio della fase M passano circa 4 ore. D Non possono dedurre alcuna informazione utile. 5. Che cosa possono dedurre i ricercatori osservando l intervallo b) nel grafico dei risultati? [due risposte corrette] A Nessuna delle cellule marcate impiega più di 8 ore per iniziare la fase M. B Nessuna delle cellule marcate giunge alla fase M nel periodo di osservazione. C Tutte le cellule marcate giungono alla fase M entro 4 ore dall inizio dell osservazione. D Tutte le cellule marcate giungono alla fase M entro 12 ore dall inizio dell osservazione. C TRAI LE CONCLUSIONI 6. Quanto dura la sottofase S del ciclo cellulare? A Poiché tutte le cellule in fase M hanno dovuto superare la sottofase S, si può concludere che questa duri, in media, circa 8 ore. B Poiché tutte le cellule in fase M hanno dovuto superare la sottofase S, si può concludere che questa duri, in media, circa 4 ore. C Poiché solo alcune delle cellule in fase M hanno dovuto superare la fase S, si può concludere che questa duri, in media, circa 12 ore. 7. Esiste una sottofase G 2 interposta tra la sottofase S e la fase M? A No, la sottofase S è seguita immediatamente dalla fase M. B Dipende dal tipo di cellula, poiché solo in alcune è trascorso un intervallo di circa 4 ore tra la sottofase S e la fase M. C Sì, tra la sottofase S e la fase M, infatti, trascorre un intervallo di circa 4 ore. Nota di metodo per biologi in erba Una delle tecniche più importanti in biologia molecolare è la marcatura degli acidi nucleici, che permette di determinare la posizione di una particolare molecola di DNA (o di RNA). La marcatura può essere realizzata in vari modi, per esempio utilizzando isotopi radioattivi. Infatti, è possibile sintetizzare nucleotidi contenenti fosforo, zolfo o idrogeno radioattivi e incorporare questi nucleotidi in una molecola di DNA. A questo punto, la posizione della molecola può essere individuata grazie alle radiazioni rilevate con appositi strumenti. Vita da LAB Area di introduzione all attività di laboratorio (schede di metodo e di lavoro)» in Appendice al volume COMPETENZE IN AZIONE 123