Cellula Procariotica La divisione cellulare è rapida e semplice. I batteri non hanno un nucleo e contengono un solo cromosoma di DNA circolare attaccato alla membrana plasmatica dove resta mentre si duplica. I due cromosomi si separano durante la crescita della cellula. Quando essa ha raggiunto dimensioni pressochè doppie, si divide per scissione semplice (scissione binaria). Cellula Eucariotica Per gli eucarioti la divisione cellulare è assai più complessa: - il DNA è complessato con proteine e si organizza prima della divisione in strutture dette cromosomi - il citoplasma contiene un ampio corredo di organelli da distribuire equamente tra le cellule figlie La divisione cellulare ha luogo quindi mediante una successione continua di eventi coordinati e sincroni che vengono chiamati ciclo cellulare. CICLO CELLULARE MITOTICO Il ciclo cellulare si divide in due periodi: interfase e fase M. L'interfase rappresenta l'intervallo tra una fase M e la successiva e occupa una ampia parte del ciclo. L'interfase viene suddivisa in tre stadi G1, S, G2. La fase M include la mitosi (divisione del materiale nucleare) e la citochinesi (divisione della cellula)
Interfase La cellula entra dapprima in G1 (0-20h). Durante G1 la cellula raddoppia il suo volume, svolge le funzioni a lei deputate e nella tarda G1 replica i geni responsabili della sintesi del DNA. S (6-8 h): durante la fase S la cellula duplica fedelmente il DNA e duplica i centrioli. Dopo la fase S la cellula entra in G2 (3-4 h). Durante la G2 si sintetizzano e si attivano i fattori proteici necessari per la mitosi. Il DNA si condensa e si iniziano ad evidenziare i cromosomi. Fase M Tale fase dura 0,5-1h, dopo di che le due cellule che derivano dall'evento di divisione entrano nello stadio G1 dell'interfase successiva. Le fasi S, G2, M, hanno tempi più costanti; la fase G1 è la più variabile e dipende da condizionamenti esterni (stimoli necessari per il proseguimento in fase).
REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE Per il ciclo cellulare vale il concetto dell'unidirezionalità e dell'irreversibilità. Esistono dei freni molecolari capaci di arrestare il ciclo a vari posti di blocco, detti punti di controllo, che evitano il passaggio alla fase successiva se la precedente deve ancora concludersi. -In G1 c'è un 1 punto di controllo precoce che tiene conto della massa cellulare, del rapporto ottimale N/C e delle condizioni del DNA. Tale punto di controllo arresta il sistema e non permette alla cellula di proseguire in G1 se non si verificano le precedenti condizioni o se il DNA è danneggiato.superato questo controllo la cellula deve essere stimolata da fattori proteici esogeni per progredire nel ciclo.gli stimoli sono rappresentati da: -fattori di crescita di competenza (PDGF, FGF..) che agiscono nella prima parte di G1(azione irreversibile) -fattori di crescita di progressione (EGF, insulina ) che agiscono solo se preceduti da fattori di competenza. Un 2 punto di controllo: punto di restrizione (R) è presente nella fase tardiva di G1, superato il quale la cellula è in grado di passare alla fase S e contrae l'impegno di andare verso la divisione L ultimo punto di controllo si ha nella parte finale di G2, dove la cellula si può fermare prima di entrare in mitosi. Questo controllo consente alla cellula di verificare se la replicazione è completa, il DNA è integro e le dimensioni cellulari superano la soglia critica. Punto R 1 Controllo Ultimo Controllo
Meccanismi molecolari di controllo Il ritmo della divisione cellulare è controllato da meccanismi molecolari che permettono ad una cellula di dividersi solo se sono necessarie altre cellule. -Il sistema di controllo molecolare consiste principalmente in una serie di complessi proteici, ciascuno composto da una proteina detta ciclina e da una detta cdk. Le cdk si legano ad una specifica ciclina formando un complesso ciclina-cdk cdk in grado di fosforilare proteine bersaglio. Nelle cellule proliferanti le cdk persistono in tutte le fasi, tuttavia vengono attivate dalle cicline solo in momenti definiti del ciclo per essere disattivate rapidamente subito dopo per la degradazione della corrispondente ciclina. L'attivazione e la disattivazione di questi complessi regolano le transizioni G1 S, S G2, G2 M. Tra i vari complessi che regolano i vari passaggi tra gli stadi del ciclo ricordiamo: - il complesso ciclina-cdk di fase S che induce la cellula ad entrare in fase S - MPF complesso ciclina-cdk mitotico che induce la cellula ad entrare in mitosi. Ciclina CDK Complesso attivato + Proteina bersaglio fosforilazione Proteina attivata P P P Ciclina degradata CDK inattiva Induce l espressione di proteine necessarie per il passaggio alla fase successive
Le cellule in base alla loro capacità di dividersi si suddividono in tre categorie: - cellule in continua divisione cellulare: cellule che rimangono in ciclo (es. epidermide) - cellule stabili: cellule che dopo la differenziazione escono dal ciclo ed entrano in una fase quiesciente detta GO dalla quale possono ritornare in ciclo se opportunamente stimolate (es. epatociti) - cellule perenni: cellule che dopo la differenziazione escono definitivamente dal ciclo entrando in una fase detta GZ (es. neuroni). (Esiste una correlazione negativa tra duplicazione e specializzazione ovvero in generale, più una cellula è specializzata meno andrà incontro a divisione). GZ
Fattori Che Modificano Il Ciclo Cellulare Il ciclo cellulare è regolato da stimoli provenienti da fattori proteici esogeni, quali ORMONI e FATTORI DI CRESCITA Tutti i fattori che arrivano ad una cellula possono agire perché la cellula possiede RECETTORI specifici per determinati fattori. Es. Le cellule nervose presentano un recettore specifico per il fattore di crescita del nervo NGF capace di promuove la crescita degli assoni. RECETTORI 1) Glicoproteine di membrana che riconoscono specifici fattori di crescita. Posseggono un sito di riconoscimento extracellulare per il ligando e un sito intracellulare per la risposta cellulare. Tutti i recettori una volta legato il rispettivo fattore di crescita innescano una risposta cellulare che consiste nell'attivazione di proteine capaci di fosforilare proteine bersaglio che a loro volta, attraverso successivi passaggi inducono l espressione di geni specifici. 2) Recettori che si trovano all'interno della cellula che riconoscono piccole molecole quali Vit.A, D, ormoni steroidei, tiroidei. Esplicano la loro attività direttamente nel nucleo. Posseggono:un dominio per l ormone, uno per il DNA e uno per un specifico fattore di trascrizione. Fattore di crescita Recettore di membrana Transduzione del segnale NUCLEO 1) 1) 2)
CROMOSOMI Il DNA, insieme a diverse proteine si Se una cellula contiene 2 cromosomi di ogni organizza in una struttura che è detta tipo, si dice che possiede un corredo CROMOSOMA. cromosomico diploide; se invece è presente un I cromosomi sono costituiti da cromatina, cromosoma di ogni coppia di omologhi, si dice che consiste di fibre contenenti DNA e che il corredo è aploide. proteine. Quando una cellula non è in I cromosomi sono presenti in coppie nelle divisione, la cromatina si trova sotto forma cellule somatiche (corredo diploide) e i membri di lunghi filamenti. Durante la divisione le di una coppia sono i cromosomi omologhi. Ogni fibre di cromatina si condensano e si coppia di cromosomi né contiene 1 di origine rendono visibili come strutture distinte. paterna e 1 di origine materna. Nelle cellule Nelle cellule i cromosomi si possono gametiche mature il corredo è aploide osservare durante la divisone cellulare e Nell uomo il numero diploide è 46 e il numero distinguere per forma e dimensioni. aploide è 23
Cromosomi omologhi (contengono forme alternative degli stessi geni) centromero cromatidi fratelli (sono identici) cromatidi fratelli (sono identici)
MITOSI Processo si divisione cellulare che garantisce la conservazione e la distribuzione dello stesso numero di cromosomi da una cellula madre alle 2 cellule figlie che saranno geneticamente identiche alla cellula madre Fasi: 1) profase, 2) metafase, 3) anafase, 4) telofase 1) I 2 cromatidi di ciascun cromosoma si separano e migrano ai poli opposti della cellula, laddove si riformeranno i 2 nuclei delle 2 cellule figlie. Cellula madre 46 cromosomi 46 cromosomi 46 cromosomi 4) 3) 2)
MEIOSI Gli organismi superiori si riproducono mediante l unione di due cellule sessuali specializzate, i gameti (aploidi) che si uniscono a formare un unica cellula chiamata zigote (diploide). I gameti sono prodotti nelle gonadi (testicolo e ovaio) a partire dalle cellule germinali. Se i gameti (cellule uovo e spermatozoi) avessero lo stesso numero di cromosomi delle cellule del genitore che lo produce, allora lo zigote avrebbe un n doppio di cromosomi e questo raddoppiamento si verificherebbe ad ogni generazione. Il mantenimento di un numero costante di cromosomi è assicurato mediante un tipo particolare di divisione cellulare riduzionale chiamato meiosi. Durante la meiosi una cellula diploide va incontro a 2 divisioni cellulari, producendo potenzialmente 4 cellule aploidi. La meiosi consiste di due divisioni denominate 1 e 2 divisione meiotica. La 1 meiosi è detta riduzionale, la 2 e detta equazionale ed è una vera mitosi Cellula madre 46 cromosomi 23 cromosomi 1 Meiosi 23 cromosomi 23 cromosomi 23 cromosomi 2 Meiosi 23 cromosomi 23 cromosomi
Meiosi I (divisione riduzionale) I membri di ogni coppia di cromosomi omologhi prima si uniscono*, poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti. Da 1 cellula si ottengono 2 cellule figlie con meta dei cromosomi formati ciascuno da due cromatidi (23 nell uomo) 46 Cr 1 meiosi Meiosi 2 (divisione equazionale) i cromatidi che costituiscono ciascun cromosoma si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle cellule figlie Si ottengono 4 cellule con la metà dei cromosomi formati ciascuno da un cromatide (23 nell uomo) *Crossingover Nella 1 meiosi, quando i cromosomi omologhi si appaiano in metafase può avvenire uno scambio reciproco di parti tra cromosomi omologhi Assortimento casuale dei cromosomi omologhi (1 meiosi) e dei cromatidi fratelli (2 meiosi) e crossingover con formazione di nuove combinazioni producono rimescolamento genico e variabilità genetica 2 meiosi crossingover 23 Cr 23 Cr
LA MITOSI E UN PROCESSO CONSERVATIVO LA MEIOSI GENERA LE DIVERSITA
IL NUMERO DEI CROMOSOMI E CARATTERISTICO DI CIASCUNA SPECIE. NELL UOMO 46 CROMOSOMI DIVISI IN COPPIE DI OMOLOGHI (CORREDO CROMOSOMICO DIPLOIDE) OGNI COPPIA DI CROMOSOMI CONTIENE UN CROMOSOMA DI ORIGINE PATERNA E UN CROMOSOMA DI ORIGINE MATERNA PRODUZIONE DI CELLULE APLOIDI GAMETI (SPERMATOZOI E CELLULE UOVO) I GAMETI SONO PRODOTTI NELLE GONADI (TESTICOLO, OVAIO) A PARTIRE DALLE CELLULE GERMINALI CHE TRAMITE la MEIOSI, CHE CONSISTE DI 2 DIVISIONI DI CUI UNA RIDUZIONALE LA FUSIONE DI 2 GAMETI (APLOIDI) DURANTE LA FECONDAZIONE PORTA ALLA FORMAZIONE DI UN NUOVO INDIVIDUO (DIPLOIDE) DETTO ZIGOTE TUTTE LE ALTRE CELLULE DELL ORGANISMO SONO DETTE CELLULE SOMATICHE, SONO DIPLOIDI E SI DIVIDONO TRAMITE UNA DIVISIONE CELLULARE: MITOSI