Basi cellulari e molecolari della vita Prof. Dr. Stefano Martellucci

Cell cycle

Il ciclo cellulare In biologia il termine RIPRODUZIONE si riferisce sia alla formazione di una nuova generazione di cellule, sia alla formazione di una nuova generazione di individui pluricellulari. Ogni cellula di una nuova generazione deve ricevere una copia di tutto il DNA dalla cellula genitrice e una dotazione di strutture e di materiali citoplasmatici sufficiente per poter funzionare da sola.

La divisione cellulare negli organismi unicellulari e in quelli pluricellulari Negli organismi pluricellulari come piante e animali la divisione cellulare inizia con la MITOSI o con la MEIOSI (divisione nucleare) e termina con la CITODIERESI (divisione citoplasma).

Nei procarioti la divisione cellulare equivale alla riproduzione dell intero organismo Il cromosoma di E. coli contiene una molecola di DNA di circa 1,6mm; Il diametro cellulare di E coli è di 1mm. La sua lunghezza è di 4mm; La replicazione del DNA inizia in corrispondenza di ori, che è associata alla membrana plasmatica; Le due regioni ori si separano mentre cresce il nuovo cromosoma e la cellula batterica; Tra le due ori si forma nuova membrana; I due cromosomi sono poi separati nelle due cellule figlie durante la citochinesi.

Le cellule eucariotiche e la divisione cellulare Gli eucarioti più complessi (es. piante a fiore e uomo) si originano per divisione cellulare a partire da una singola cellula uovo fecondata (zigote); La formazione di un organismo multicellulare a partire dallo zigote viene detto SVILUPPO: si parte dall embriogenesi, passando per l organogenesi fino ad arrivare all individuo formato; La divisione cellulare richiede dei meccanismi di controllo e avviene in presenza di segnali riproduttivi. La divisione cellulare comprende: 1. La replicazione del materiale genetico 2. La sua segregazione nelle due cellule figlie 3. La citodieresi

Divisione cellulare Organismi eucarioti unicellulari si riproducono in modo asessuato per MITOSI. Quando le cellule raggiungono determinate dimensioni devono arrestare l accrescimento o dividersi. La divisione cellulare negli eucarioti coinvolge due processi: MITOSI (che assicura che ogni nuovo nucleo riceva lo stesso numero di cromosomi presenti nella cellula madre) e la CITODIERESI (divisione del citoplasma tra le due cellule figlie).

Ciclo cellulare L'insieme dei fenomeni che avvengono durante la divisione cellulare prende il nome di ciclo cellulare: esso dura dalle 10 alle 24 ore circa a seconda degli organismi. Nelle cellule somatiche in proliferazione il ciclo cellulare consta di due fasi INTERFASE: 90% dell intero ciclo cellulare (G1 + S + G2); MITOSI: la mitosi rappresenta la fase conclusiva del ciclo cellulare. La lunghezza del ciclo cellulare dipende essenzialmente dalla fase G1 mentre le altre fasi durano approssimativamente tutte lo stesso tempo. Ad esempio: G1, minuti nelle cellule tumorali ed in quelle embrionali; G1, anni nelle cellule neurali.

Ciclo cellulare

Ciclo cellulare G2 checkpoint: dimensioni cellulari, presenza di nutrienti, duplicazione DNA completa? danni al DNA? (riparazione del danno o apoptosi) M checkpoint: Cromosomi allineati sulla piastra del fuso? sono attaccati alle fibre del fuso? G1 checkpoint: dimensioni cellulari, presenza di nutrienti Sintesi del DNA

Mitosi Cellule figlie (somatiche) Cellula madre (somatica) La mitosi è un processo di divisione cellulare attraverso cui una cellula si divide in due cellule figlie che risultano geneticamente e morfologicamente identiche tra loro e alla cellula madre; infatti conserva nelle nuove cellule il numero di cromosomi originario. È alla base dei processi di crescita corporea. La mitosi avviene sia nelle cellule apolidi che in quelle diploidi in modo continuo (a meno che la cellula non entri nella fase G0).

La Mitosi si distingue in quattro fasi: Profase Metafase Anafase Telofase Mitosi

Interfase

Profase Centrioli Membrana nucleare Inizio della Profase I centrioli si separano ed i cromosomi si accorciano, si ispessiscono e diventano visibili al microscopio. Il nucleolo comincia a scomparire. Profase intermedia I cetrioli continuano a separarsi ed incomincia a formarsi il fuso mitotico: i cromosomi replicati diventano visibili. Fuso mitotico Profase avanzata I cetrioli raggiungono i poli opposti del nucleo ed il fuso mitotico comincia a distendersi. La membrana nucleare comincia a dissolversi.

Metafase Piastra metafasica Questa fase comincia quando la membrana nucleare si è dissolta completamente: durante la sua metafase i microtubuli dei cinetocori orientano i cromosomi in modo che i loro centromeri siano allineati su di un piano a metà tra i due poli del fuso, con l asse longitudinale dei cromosomi disposto a 90 rispetto a quello del fuso. Il piano su cui si dispongono i cromosomi prende il nome di piastra metafisica e si trova in posizione equatoriale.

Anafase Cromosoma metacentrico Cromosoma sub-metacentrico Ha inizio quando i centromeri uniti dei due cromatidi fratelli si separano dando origine a due cromosomi figli. Allorché i cinetocori appaiati di ciascun cromosoma si separano, la coppia di cromatidi fratelli va incontro a disgiunzione ed i cromosomi figli si muovono verso i poli spinti dalla contrazione dei microtubuli del cinetocoro. In questa fase i cromosomi assumono forme caratteristiche: metacentrici: a V sub-metacentrici: a J

Telofase Durante questa fase si completa la migrazione dei cromosomi figli verso i poli e le due serie di cromosomi si riuniscono in due gruppi, alle estremità opposte della cellula, attorno ai quali si comincia a formare una membrana nucleare. I cromosomi cominciano a distendersi ed assumere la loro forma allungata caratteristica dell interfase. I microtubuli del fuso scompaiono ed i nucleoli si riformano. A questo punto la divisione nucleare è completa: la cellula possiede due nuclei.

Riepilogo

Citodieresi (o citocinesi) Divisione del citoplasma che generalmente segue la mitosi ed è completata alla fine della Telofase. Processo grazie al quale si realizza la separazione dei due nuovi nuclei in cellule figlie distinte, completando la mitosi ed il processo di divisione cellulare.

Riproduzione SESSUATA ASESSUATA

Riproduzione SESSUATA Gli individui neoformati non sono mai identici ai genitori: ricombinazione e riassortimento indipendente dei caratteri parentali creano CREA variabilità genetica Eucarioti: la maggior parte di essi. Richiede la partecipazione di due individui di sesso diverso che contribuiscono in egual misura. ASESSUATA Gli individui neoformati sono identici al genitore: vengono generati cloni. NON crea variabilità nella specie. Procarioti: scissione binaria (obbligata); Eucarioti: gemmazione, scissione, frammentazione, partenogenesi (facoltativa)

Cellula germinale diploide Meiosi Quattro cellule figlie aploidi È un tipo di divisione nucleare che riduce a metà il numero di cromosomi originario: una sola duplicazione del DNA seguita da 2 successive divisioni cellulari. Le due divisioni cellulari vengono indicate come prima e seconda divisione meiotica (Meiosi I, Meiosi II), ciascuna suddivisa in profase, metafase, anafase, telofase.

I divisione mitotica Riduzionale

II divisione mitotica Equazionale

Crossing Over (Ricombinazione) Scambio fisico reciproco tra cromosomi omologhi di segmenti cromosomici localizzati nella stessa posizione lungo il cromosoma. Durante il crossing over NON si ha né perdita né acquisizione di materiale genetico Chiasma Sito di legame dove è avvenuto il crossino over

Crossing Over Gameti parentali Gameti ricombinanti La sequenza dei geni rimane invariata, quello che cambia è la combinazione degli alleli di loci diversi lungo il cromosoma: i cromosomi ricombinanti sono diversi dai parentali.

Mitosi e meiosi a confronto Appaiamento dei cromosomi omologhi solo nella meiosi; Crossing over solo nella meiosi; La mitosi è una divisione equazionale mentre la meiosi è riduzionale; La mitosi produce due cellule identiche, la meiosi quattro diverse

Confronto tra mitosi e meiosi Mitosi Meiosi Sia nelle cellule somatiche che nelle germinali Una sola replicazione del DNA seguita da una singola divisione cellulare Solo nelle cellule germinali Una sola replicazione del DNA seguita da due divisioni cellulari Cellule figlie (2n) identiche tra loro e alla cellula parentale Funzione di accrescimento, ricambio cellulare e riproduzione asessuata Quattro cellule figlie (n) tutte geneticamente diverse Funzione di riproduzione sessuata 30

Gametogenesi Normalmente degenerano

Gametogenesi (Cellule germinali) Normalmente degenerano

Spermatogenesi Processo che inizia con la pubertà; L intero percorso di maturazione da spermatogonio a spermatozoo dura 65-75 gg. Processo continuo, che parte dalla pubertà e continua per il resto della vita; Vengono prodotti miliardi di spermatozoi nel corso della vita; Da ogni spermatocita primario si ottengono 4 spermatozoi.

Ovogenesi Processo DISCONTINUO in cui la produzione dei gameti avviene ciclicamente e si interrompe con il sopraggiungere della menopausa; Da ogni oocita primario si ottiene una sola cellula uovo matura; Alla nascita le ovaie contengono qualche milione di ovociti primari bloccati in profase I mentre, alla pubertà, il numero è ridotto a circa 200.000; Dalla pubertà fino alla menopausa un ovocita ogni 28 giorni riprende la meiosi e completa la I divisione; Nel periodo di vita feconda una donna produce circa 400 ovociti secondari: 12 x numero di anni fertili; Solo se fecondato, l ovocita secondario completa il processo di meiosi e diventa cellula uovo aploide.

Ovogenesi

Ovogenesi Gli ovociti invecchiano insieme alla donna. Per questo, il rischio di avere un figlio affetto da Sindrome di Down (Trisomia 21) o altre anomalie cromosomiche dovute ad errori meiotici aumenta con l aumentare dell età materna

Rischio sindrome di Down Età materna al parto in anni Rischio 25 1/1376 30 1/960 35 1/424 40 1/126 45 1/31 46 1/24 47 1/17 48 1/16 49 1/9,5

Gametogenesi e a confronto Si moltiplicano per tutta la vita Si moltiplicano solo fino ai primi mesi di vita fetale Dalla pubertà Dalla pubertà Profase I Scoppio follicolo Una sola cellula uovo matura