La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita.

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1 IL CICLO CELLULARE

2 Il ciclo cellulare, o ciclo di divisione cellulare (CDC), è la serie di eventi che avvengono in una cellula tra una divisione cellulare e quella successiva. La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita. E un processo geneticamente controllato, costituito da una serie di eventi coordinati e dipendenti tra loro, dai quali dipende la corretta proliferazione delle cellule. Gli eventi molecolari che controllano il ciclo cellulare sono ordinati e direzionali: ogni processo è la diretta conseguenza dell'evento precedente ed è la causa di quello successivo. Ė caratterizzato da cinque fasi: G1,S,G2, mitosi e citodieresi

3 Affinché l informazione genetica venga correttamente trasmessa dalla cellula madre alle cellule figlie, il genoma deve essere prima duplicato durante il periodo di tempo denominato fase S e in seguito i cromosomi vengono segregati nelle due cellule figlie durante la fase M. La fase M è a sua volta composta da due processi, strettamente collegati: la mitosi, durante la quale i cromosomi della cellula sono divisi tra le due cellule figlie e la citodieresi, che comporta la divisione fisica del citoplasma della cellula.

4 Il centromero non occupa la stessa posizione in tutti i cromosomi e divide ogni cromatide in due parti, i bracci, la cui lunghezza dipende dalla posizione del cinetocore. La posizione del centromero permette di classificare i cromosomi in 4 tipi: acrocentrici: centromero in posizione terminale. telocentrici: centromero in posizione subterminale. submetacentrici: centromero in posizione submediana. metacentrici: centromero in posizione mediana.

5 Il cinetocore è una componente del centromero. Di solito per ogni centromero abbiamo 2 cinetocori, un cinetocore per ogni cromatidio. Il ruolo dei cinetocori è quello di agganciarsi ai microtubuli del fuso mitotico durante la divisione cellulare. In questo modo i cromosomi vengono allineati correttamente all'equatore del fuso, e successivamente grazie alla trazione dei microtubuli, che si accorciano i cromatidi fratelli vengono separati e trascinati ai due poli opposti della cellula. Sono collocati sulla parte esterna di ciascun cromatidio e sono costituiti da tre strati proteici.

6 CARIOTIPO Ogni specie ha un determinato numero di cromosomi e caratteristiche morfologiche peculiari I cromosomi sono classificati in ordine decrescente, dai più grandi ai più piccoli, secondo uno schema standardizzato CROMOSOMI Costituiti da un filamento a doppia elica di DNA e da proteine i cromosomi sono spesso presenti in coppie. Le cellule che hanno coppie di cromosomi omologhi (simili) sono dette diploidi (2n), mentre sono definite aploidi (n) quelle che possiedono solo un cromosoma per tipo. I cromosomi omologhi contengono lo stesso tipo di informazione (variazioni di uno stesso carattere) Nell'uomo si hanno 23 coppie di cromosomi, di cui 22 sono cromosomi somatici non sessuali ed una coppia di cromosomi diversi, i cromosomi sessuali

7 Una cellula si definisce aploide se presenta un unico assetto cromosomico, ovvero possiede un solo cromosoma per ogni tipo. Una cellula aploide si differenzia da una cellula diploide in quanto questa ha due patrimoni genetici, ereditati solitamente dal padre e dalla madre. Per tale motivo, mentre per indicare una cellula diploide si usa usare la notazione 2n, per indicare una cellula aploide si usa n.

8 INTERFASE (attività metabolica) CICLO CELLULARE Le cellule che non si dividono escono dal ciclo e rimangono bloccate nella fase G1 (G0 ) MITOSI (divisione) CITODIERESI (divisione citoplasma)

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10 Punti di controllo Il ciclo cellulare è un processo estremamente importante; errori in questo processo potrebbero compromettere la vitalità cellulare. Per tale motivo, nel ciclo cellulare, sono presenti dei punti di controllo o checkpoints, localizzati a livello delle transizioni G1/S e G2/M. G1 fra la fine della mitosi e l inizio della fase S G2 fra il termine della fase S e l inizio della fase M. In questi periodi di tempo si ha la maggior parte della sintesi proteica con conseguente aumento della massa cellulare e la realizzazione dei controlli che impediscono l inizio della fase successiva se non è stata completata quella precedente.

11 G1 phase (G = gap): la cellula monitora le sue dimensioni e l ambiente esterno e cresce sintetizzando RNA e proteine S (S = synthesis): replicazione del materiale genetico. Il DNA passa da 2n a 4n. G2: controllo dell avvenuta replicazione di tutti i cromosomi e una crescita secondaria prima della mitosi. In questa fase il DNA ha un corredo 4n. M (M = Mitosis): si compone di profase, metafase, anafase e telofase e citochinesi Alcuni tipi cellulari non si dividono più (cellule terminalmente differenziate), sono usciti irreversibilmente dal ciclo cellulare, altre cellule entrano in uno stato di quiescienza chiamato G0 e possono essere stimolate a lasciare G0 e a rientrare nel ciclo cellulare. Le cellule nervose e quelle striate dei muscoli scheletrici, ad esempio, rimangono in questo stadio per tutta la vita dell'organismo. La lunghezza di G1 riflette il fatto che le cellule per lo più richiedono più tempo per crescere e raddoppiare la massa di proteine e organelli che per duplicare il DNA e dividersi. Se le condizioni extracellulari sono sfavorevoli, per esempio, la cellula ritarda la progressione in G1 e può entrare in G0. Le cellule che non vanno più incontro a divisione in seguito ad invecchiamento o a danneggiamento del DNA sono invece chiamate senescenti.

12 MITOSI PROCESSO DI DIVISIONE CELLULARE CHE GARANTISCE LA CONSERVAZIONE E LA DISTRIBUZIONE DELLO STESSO NUMERO DI CROMOSOMI DA UNA CELLULA MADRE ALLE DUE CELLULE FIGLIE. PROFASE: condensazione della cromatina presente nel nucleo della cellula, seguita dalla formazione dei cromosomi. La membrana nucleare si dissolve e due corpuscoli, i centrioli, cominciano a migrare verso i poli della cellula, formando una struttura a raggiera, il fuso mitotico. METAFASE: completa formazione dei cromosomi. Le fibre de fuso si attaccano al cinetocore Formazione piastra metafasica ANAFASE: I cromatidi dei cromosomi si separano Migrazione al rispettivo polo La cellula si allunga TELOFASE: diminuisce il grado di compattazione dei cromosomi Vengono ricostituiti i nuclei Ricompare il nucleolo Scompare fuso CITODIERESI : Divisione del citoplasma Formazione di un solco in prossimità della zona equatoriale FORMAZIONE DI DUE CELLULE FIGLIE GENETICAMENTE UGUALI ALLA CELLULA MADRE IL CORREDO CROMOSOMICO E DIPLOIDE MA I CROMOSOMI SONO COSTITUITI DA UN SOLO CROMATIDE CHE VIENE DUPLICATO IN S

13 PROFASE-METAFASE

14 METAFASE-ANAFASE-TELOFASE

15 La mitosi produce sempre due cellule geneticamente identiche alla cellula madre e la maggior parte degli organelli citoplasmatici si distribuisce casualmente nelle cellule figlie

16 La riproduzione, in biologia, è l'insieme dei meccanismi mediante i quali gli esseri viventi provvedono alla conservazione della propria specie generando nuovi individui simili a sé e che subentreranno al genitore, o ai genitori, nella popolazione. RIPRODUZIONE ASESSUATA (mitosi) RIPRODUZIONE SESSUATA (meiosi/cariogamia)

17 SCISSIONE : MODALITÀ DI RIPRODUZIONE ASESSUATA, CARATTERIZZATA DALLA DIVISIONE DELL'ORGANISMO IN DUE O PIÙ PARTI, DA CIASCUNA DELLE QUALI SI SVILUPPA UN INDIVIDUO COMPLETO

18 SCISSIONE BINARIA Il cromosomi duplicati si associano alla membrana in punti diversi formazione di un setto Il tempo di duplicazione è 20 min Le cellule figlie sono identiche tra loro e alla cellula madre

19 VARIABILITA GENETICA Variabilità genetica ADATTAMENTO Nei batteri la riproduzione asessuata prevede un processo di duplicazione MUTAZIONI Per ricombinazione genetica si intende ogni processo attraverso il quale, a partire da un genotipo, si ottengono nuove combinazioni di alleli rispetto a quelle iniziali BATTERI: TRASFORMAZIONE TRASDUZIONE CONIUGAZIONE

20 TRASDUZIONE Il trasferimento del materiale genetico è mediato da un virus dei batteri chiamato batteriofago. 1. Le fimbrie del batteriofago si legano alla parete del batterio, grazie a degli antirecettori che riconoscono specifici siti di adesione sulla parete cellulare. 2. La piastra aderisce alla parete del batterio. Viene liberato un enzima, detto lisozima, che va a ledere il peptidoglicano che costituisce la parete batterica. 3. La coda si contrae ed il DNA del virus viene spinto all'interno del DNA batterico. CICLO LITICO: il DNA si replica, vengono sintetizzati RNA e proteine virali; queste ultime si uniscono fra loro (si assemblano) per formare nuovi virus, nella cui testa si inserisce il genoma virale neoformato. Al termine del processo, il batterio va incontro a lisi e a liberazione dei virus, che vanno poi ad infettare altri batteri. CICLO LISOGENO: il DNA virale va ad integrarsi nel DNA batterico. I fagi che hanno un ciclo lisogeno vengono chiamati virus temperati, perché il loro DNA si integra nel cromosoma batterico e come esso si comporta; di conseguenza, viene trasferito alle nuove generazioni senza determinare alcun danno per il batterio. Questo stato di quiescenza può essere tuttavia spezzato da stimoli opportuni (raggi UV, stress ecc.); in queste situazioni il DNA virale si può staccare, passando dal ciclo lisogeno a quello litico.

21 TRASFORMAZIONE Passaggio di frammenti di DNA libero, originati dalla lisi batterica, ad un batterio ricevente 1) legame tra DNA e cellula 2) ingresso del DNA nella cellula 3) ricombinazione del DNA libero che entra nel batterio ricevente 4) espressione fenotipica Un DNA per essere trasformante deve essere: 1) a doppia elica 2) con peso molecolare superiore a 106 Dalton 3) avere un'elevata analogia col DNA della cellula ricevente La cellula ricettrice, da parte sua, deve essere in uno stato fisiologico chiamato di competenza. Una cellula è competente quando è al termine della sua crescita esponenziale o logaritmica; in questa fase, infatti, la sintesi proteica è massima e vengono espressi fattori di competenza (proteine che permettono al DNA di entrare).

22 I batteri contengono frequentemente anche una o più copie di molecole di DNA, per lo più circolari, di dimensioni molto più piccole di quelle del cromosoma batterico, chiamate plasmidi. Di solito i plasmidi non sono essenziali per la vitalità e la crescita dei batteri, ma conferiscono ad essi delle particolari caratteristiche, quali, ad esempio, la resistenza ad un antibiotico. I plasmidi sono tra gli elementi genetici più utilizzati nelle procedure di clonaggio di geni

23 CONIUGAZIONE Trasferimento genico attraverso il contatto fisico tra due batteri, di cui il donatore è denominato F+ (fertilità positivo) e possiede un pilo di coniugazione, mentre il ricevente F-. Alcuni batteri contengono un plasmide, detto fattore F, che codifica per delle proteine che formano il pilo di coniugazione. Questo plasmide, dotato di replicazione autonoma, possiede dei geni che gli consentono di replicarsi e trasferirsi da un batterio F+ all'altro (F-). 1. un batterio F+ incontra un batterio F- e si forma un ponte di unione. 2. A questo punto il plasmide comincia a replicarsi con un meccanismo detto rolling circle (in direzione 5' - 3'), durante il quale una delle due emieliche passa attraverso il pilo. 3. Alla fine della replicazione e del trasferimento, abbiamo due F+, poiché il primo mantiene la copia del plasmide, mentre l'f- riceve la seconda emielica, che poi si duplica e forma il plasmide.

24 RIPRODUZIONE SESSUATA Contributo di individui di sesso diverso Aumento variabilità genetica Ogni individuo produce le cellule germinali (GAMETI) con corredo cromosomico aploide MASCHIO FEMMINA MEIOSI SPERMATOZOI (aploide) OVOCITI (aploide) FECONDAZIONE ZIGOTE (diploide) SVILUPPO DELL INDIVIDUO

25 MEIOSI La meiosi è un processo di divisione mediante il quale una cellula eucariotica con corredo cromosomico diploide dà origine a quattro cellule con corredo cromosomico aploide. Consiste in due divisioni nucleari e citoplasmatiche successive, precedute da una sola duplicazione del corredo genetico. E UN PROCESSO FONDAMENTALE PER GARANTIRE LA CONSERVAZIONE DELLO STESSO NUMERO DI CROMOSOMI ALL INTERNO DI OGNI SPECIE. Meiosi I (divisione riduzionale) Profase: la cromatina si condensa formando i cromosomi metafasici i cromosomi omologhi si appaiano lungo tutta la loro lunghezza formando delle strutture dette tetradi. Quindi cominciano ad allontanarsi rimanendo uniti in punti detti chiasmi. A livello di questi chiasmi avviene il crossing-over scambio di materiale genetico tra cromosomi omologhi. Il crossing-over aumenta la variabilità genetica, ricombinando casualmente il materiale genetico. Sempre in questa fase si dissolve la membrana nucleare, i centrioli migrano ai poli e iniziano a formare il fuso. Metafase: le tetradi si allineano in piastra equatoriale longitudinalmente i centromeri si fissano al fuso e gli interi cromosomi migrano ai poli della cellula. Anafase: si completa la migrazione dei cromosomi. Telofase: avviene la divisione delle 2 cellule e la riformazione della membrana nucleare. Al termine della meiosi I si sono formate 2 cellule aploidi. La meiosi II E sostanzialmente uguale alla mitosi, ma con un corredo cromosomico dimezzato. Inoltre la profase è molto più rapida perché la cromatina è già spiralizzata. Alla fine della meiosi II si formano 4 cellule figlie, tutte diverse tra loro e aploidi, cioè con un patrimonio genetico dimezzato rispetto alla cellula madre. Quindi nella meiosi a partire da una cellula diploide si formano 4 cellule aploidi, tutte diverse fra loro. Nelle regioni in cui si verifica il crossing over vengono spezzati dei cromatidi di un omologo e questi segmenti vengono scambiati con le porzioni corrispondenti dei cromatidi dell'altro omologo.i cromatidi di ogni omologo non contengono più un materiale genetico identico: il cromosoma di origine materna ora contiene porzioni del cromosoma omologo di origine paterna, e viceversa. Come risultato, il figlio eredita una mescolanza casuale degli alleli dei due genitori per i diversi caratteri. 23 cromosomi con 1cromatide

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27 DIVISIONE RIDUTTIVA PROFASE I 1. leptotene 2. zigotene (sinapsi) 3. pachitene (crossing-over; tetrade) 4. diplotene (chiasmi) 5. Diacinesi METAFASE I ANAFASE I: i componenti di una coppia di cromosomi omologhi si dirigono verso i poli opposti; i centromeri non si sono divisi quindi i cromosomi sono composti da due cromatidi e sono detti diade TELOFASE I: 2 cellule figlie con meta dei cromosomi formati ciascuno da due cromatidi DIVISIONE MEIOTICA PROFASE II METAFASE II ANAFASE II: si dividono i cromatidi di ciascun cromosoma TELOFASE II: citocinesi 4 cellule con metà numero dei cromosomi formati ciascuno da un cromatide

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29 Meiosi 1: i membri di ogni coppia di cromosomi omologhi prima si uniscono, poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti. Meiosi 2: i cromatidi che costituiscono ciascun cromosoma omologo si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle cellule figlie

30 PUNTI IMPORTANTI NELLA MEIOSI: 1. Produzione di cellule aploidi 2. CROSSING-OVER: nella profase I durante l appaiamento tra i cromosomi omologhi (tetradi) può avvenire uno scambio reciproco di parti tra cromosomi omologhi 3. ASSORTIMENTO CASUALE dei cromosomi omologhi (I divisione) e dei cromatidi fratelli (II divisione) con formazione di nuove combinazioni. All anafase I gli omologhi si disgiungono e migrano ai due poli della cellula in modo indipendente per ogni paio, allo stesso modo si comportano i cromatidi fratelli all anafase II 2+3 RIMESCOLAMENTO DEL PATRIMONIO GENETICO

31 ERRORI DURANTE LA MEIOSI ALTERAZIONI NUMERICHE L'aneuploidia è una variazione nel numero dei cromosomi, rispetto a quello che normalmente caratterizza le cellule di un individuo della stessa specie. TRISOMIA 21 (sindrome di Down): presenza di 3 cromosomi 21 invece che 2. le cellule del individuo hanno quindi 47 cromosomi. Ritardo mentale-disturbi cardiocircolatori-maggiore suscettibilità alle infezioni. SINDROME DI TURNER: presenza di un solo cromosoma X. Femmine con caratteri sessuali poco sviluppatibassa statura -ritardi nel processo di ossificazione dello scheletro La formazione di uno zigote con un solo cromosoma sessuale X, da cui si sviluppa un individuo portatore di sindrome di Turner, avviene se una cellula uovo normale, con corredo cromosomico X, viene fecondata da uno spermatozoo privo di cromosoma sessuale; oppure se uno spermatozoo portatore del cromosoma X si fonde con una cellula uovo priva di cromosoma sessuale. ALTERAZIONI STRUTTURALI invertito DELEZIONI: perdita di un frammento da un cromosoma DUPLICAZIONI: inserimento di un frammento di un cromosoma nel cromosoma omologo INVERSIONI: reinserimento di un frammento di cromosoma nel cromosoma originario, ma con orientamento TRASLOCAZIONE: spostamento di un frammento di un cromosoma su un cromosoma non omologo SINDROME CRI DU CHAT: è una malattia genetica rara causata dalla delezione di parte del cromosoma 5 ritado mentale-cranio piccolo-pianto/miaglolio Le alterazioni cromosimiche che si verificano nelle cellule somatiche sono rsponsabili della possibile insorgenza di forme tumorali. LEUCEMIA MIELOIDE CRONICA: traslocazione di una porzione del cromosoma 22 che si scambia con una porzione del cromosoma 9, con conseguente attivazione di un gene che causa l insorgenza di questa forma tumorale

32 GAMETOGENESI (OOGENESI-SPERMATOGENESI) SPERMATOGENESI: Le cellule germinali maschili si formano nei testicoli. Gli spermatogoni sono cellule diploidi che subiscono diversi cicli mitotici nei tubuli seminiferi. 1 spermatogonio 4 spermatozoi OOGENESI: Le cellule germinali femminili si formano nell ovaio con un processo di maturazione ciclica. Gli ovogoni si riproducono per mitosi in epoca prenatale e sono contenute nei follicoli. Al momento della nascita sono bloccati in profase I. quando l organismo raggiunge la maturità sessuale, ogni mese un ovocita e il suo follicolo maturano. 1 ovogonio 1 ovocita

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35 I processi di base della meiosi sono simili a quelli della mitosi, ma presentano 4 importanti differenze: 1. La meiosi comporta 2 successive divisioni nucleari e citoplasmatiche con potenziale produzione di 4 cellule. 2. Nonostante le due divisioni il DNA subiscono una sola duplicazione durante l interfase che precede la div. meiotica 3. Ognuna delle 4 cellule prodotte contiene un n ap loide di cromosomi, cioè solo un esemplare di ogni coppia di omologhi. 4. Durante la meiosi l informazione genetica che proviene da entrambi i genitori viene mescolata, così che ogni cellula possiede una combinazione di geni potenzialmente unica.