Le basi cellulari della riproduzione e dell ereditarietà
riproduzione e divisione cellulare Negli organismi in cui avviene la riproduzione asessuata, la progenie è la copia genetica esatta dell unico genitore (figli identici tra loro) Riprod. Asessuata Crescita e mantenimento cellulare MITOSI
La riproduzione sessuata origina una progenie con una combinazione peculiare di geni e può produrre grandi variazioni nella prole. Fecondazione di uovo da parte di spermatozoo MEIOSI
La riproduzione genera nuovi organismi ma si ha anche a livello cellulare Una cellula nasce solo da un altra cellula La riproduzione delle cellule, sia procariotiche sia eucariotiche, è detta divisione cellulare. La divisione cellulare è la base della riproduzione delle cellule e degli organismi. Nei procarioti riproduzione asessuata mediante scissione binaria. Cromosomi batterici Colorizzata TEM 32 500
Il materiale genetico si duplica prima di ogni divisione cellulare I singoli cromosomi eucariotici sono sottoforma di cromatina= DNA+proteine CROMOSOMI: sono visibili solo quando le cellula si prepara alla divisione, altrimenti si presentano sotto forma di una massa diffusa di filamenti lunghi e sottili LM 600
Prima di dividersi, la cellula duplica i suoi cromosomi, formando cromatidi fratelli (due copie contenti geni identici). I due cromatidi sono uniti in corrispondenza di una regione centromero. Duplicazione del cromosoma Ciascun cromatide migra in una delle due cellule figlie. Centromero Cromatidi fratelli Così ogni cellula figlia riceve una serie completa e identica di cromosomi I cromatidi si distribuiscono alle cellule figlie
ciclo cellulare = sequenza ordinata di eventi che inizia con nascita e termina con divisione cellulare. Il ciclo scandisce gli eventi metabolici e riproduttivi di ogni cellula è costituito da due fasi principali: l interfase e la fase mitotica (M). Fase S sintesi DNA G1 e G2 accrescimento, varie attività e interazione con ambiente M divisione nucleo e citocinesi INTERFASE G 1 S (sintesi del DNA) G 2
fasi della mitosi: LM 250 INTERFASE PROFASE PROMETAFASE Centrosomi Inizio della formazione Frammenti (con due coppie di centrioli) Centrosoma Cromatina del fuso di membrana nucleare Cinetocore Nucleolo Membrana nucleare Membrana plasmatica Cromosoma formato da due cromatidi Centromero Microtubuli del fuso
i cromatidi si separano, spostandosi dal centro della cellula lungo il fuso mitotico, perché tirati verso i poli opposti dalle fibre del fuso (microtubuli agganciati). METAFASE ANAFASE TELOFASE E CITODIERESI Nucleoleo in Piano equatoriale Solco di scissione formazione Fuso Cromosomi indipendenti Membrana nucleare in formazione
La citodieresi o citocinesi (=divisione a livello citoplasmatico) avviene in maniera diversa nelle cellule animali e nelle cellule vegetali Nelle cellule animali la citodieresi avviene grazie a un processo di scissione. Il primo segno è la comparsa di un solco di scissione a livello equatoriale (anello contrattile). Solco di scissione SEM 140 Solco di scissione Contrazione dell anello formato da microfilamenti Cellule figlie
Nelle cellule vegetali, vista la presenza della parete cellulare, la citodieresi avviene senza la formazione del solco di scissione. Formazione della piastra cellulare Parete della cellula madre Nucleolo della cellula figlia La cellula vegetale è divisa in due da un disco circondato da membrane (chiamato piastra cellulare) formato da vescicole provenienti dall apparato di Golgi. TEM 7500 Parete cellulare Nuova parete cellulare Vesciole contenenti i componenti della parete Piastra cellulare Cellule figlie
Il sistema di controllo del ciclo cellulare è un meccanismo costituito da un insieme di complessi proteici che, di volta in volta, innescano e coordinano i principali eventi del processo. Sistemi complessi integrano segnali intracellulari ed extracellulari a livello di punti chiave del ciclo cellulare, detti punti di controllo, determinando se una cellula può proseguire (VIA) o no (STOP) col ciclo G 0 Punto di controllo G 1 G 1 Sistema di controllo S M G 2 Punto di controllo M Punto di controllo G 2
Posizione dei 3 principali checkpoint Attività parametri controllati: Danno al DNA Dimensione della cellula Presenza di nutrienti e fattori di crescita Corretto aggancio dei cromosomi sul fuso
CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE E CANCRO Le cellule che si dividono in maniera incontrollata producono tumori Le cellule tumorali non rispondono al normale sistema di controllo del ciclo cellulare e si dividono in modo eccessivo/sregolato. Questa crescita incontrollata può determinare la formazione di una massa cellulare anomala chiamata tumore. - Tumori benigni: massa cellulare anomala ma circoscritta - tumori maligni massa di cellule anomali capaci di diffondere nei tessuti circostanti e in altre parti del corpo.
La radioterapia e la chemioterapia sono terapie anticancro efficaci perché interferiscono con la divisione cellulare: tendono infatti a bloccarla o limitarla. La radioterapia utilizza radiazioni ad alta energia che alterano il DNA delle cellule in divisione danno sul DNA blocca ciclo cellulare e divisione. La chemioterapia sfrutta farmaci che colpiscono soprattutto le cellule in divisione attiva (bloccano enzimi responsabili della duplicazione del DNA o della progressione nel ciclo cellulare).
Concludendo: la mitosi serve per 1) la crescita degli organismi, 2) la rigenerazione e riparazione dei tessutii (sostituzione delle cellule) e 3) la riproduzione asessuata LM 500 1) Crescita per divisione cellulare di una radice di cipolla. LM 700 LM 10 2) La sostituzione delle cellule nella cute. 3) riproduzione asessuata di un Hydra.
La meiosi Le cellule somatiche di ogni specie contengono un numero specifico di cromosomi, presenti sempre in coppie. Per esempio, le cellule umane hanno 46 cromosomi, suddivisi in 23 coppie. I due cromosomi che formano una coppia sono detti cromosomi omologhi. due cromosomi omologhi portano i geni che controllano le stesse caratteristiche ereditarie, nella stessa posizione o locus. Corrispondenza tra i geni presenti sugli omologhi Cromosomi omologhi Centromero Un insieme di cromosomi ordinati in coppie (di omologhi) in base alla loro morfologia costituisce il cariotipo Cromatidi fratelli
Alla metafase max compattamento della cromatina permette di evidenziare cromosomi con coloranti basici adeguati Cromosomi: strutture di cromatina compatta Colorabili e visibili al microscopio ottico In metafase (mitotica-meiotica) formati da 2 cromatidi fratelli identici tra loro uniti a livello del centromero Sul centromero si forma complesso proteico che media aggancio con i microtubuli del fuso mitotico Estremità: telomeri
Le cellule con nuclei che contengono due serie di cromosomi omologhi sono dette diploidi (2n). tutte le cellule somatiche I gameti (= cellule specializzate per la riproduzione sessuale) cioè gli ovuli e gli spermatozoi hanno un assetto cromosomico singolo e sono detti aploidi (n). Gameti aploidi (n = 23) Tutti i cicli vitali sessuali, compreso quello umano, presentano un alternanza tra stadio aploide (n = 23) e diploide (2n = 46). Meiosi n Cellula uovo n Spermatozoo Fecondazione Adulti pluricellulari diploidi (2n = 46) Zigote diploide (2n = 46) 2n Mitosi e sviluppo
Il ciclo vitale degli organismi comprende fasi aploidi e diploidi, con una diversa predominanza dell una sull altra I batteri hanno solo fase n Nei funghi brevissima fase 2n (meiosi sporica: dopo la fusione dei gameti, lo zigote va incontro a meiosi generando spore n) Nelle piante inferiori, come i muschi, entrambe le fasi sono rappresentate in modo significativo dando luogo a corpi multicellulari complessi 2n e n Anche nelle piante superiori c e un alternanza di generazioni n e 2n, anche se la generazione n è ridotta e vestigiale. Negli animali cicli vitali dominati da fase 2n: la meiosi (gametica) produce gameti n e quindi la fase aploide del ciclo è limitata a queste cellule specifiche.
MEIOSI La meiosi è il processo che produce cellule sessuali aploidi (gameti) La meiosi riduce il numero dei cromosomi da 2n ad n come la mitosi, è preceduta dalla duplicazione dei cromosomi Consiste in 2 divisioni nucleari consecutive (meiosi I e II). Da una cellula (2n) genera 4 cellule figlie (n). Durante la meiosi (profase I) si ha scambio di DNA tra cromosomi omologhi
La meiosi prevede un ciclo di replicazione del DNA in una cellula 2n, seguito da 2 divisioni cellulari successive. Dopo la replicazione ogni cromosoma è formato da 2 cromatidi fratelli. Alla prima divisione meiotica (meiosi I) si separano I cromosomi omologhi (i cromatidi fratelli restano uniti) Alla meiosi II, si separano i cromatidi fratelli. Prodotte 4 cellule aploidi n, con due cromosomi ognuna ( quantità di DNA dimezzato rispetto a cell. genitrice)
La prima divisione (meiosi I) comincia con la sinapsi: appaiamento dei cromosomi omologhi. Durante la sinapsi, i cromatidi dei cromosomi omologhi si scambiano tra loro segmenti corrispondenti mediante un crossing-over. La meiosi I separa i cromosomi omologhi e produce 2 cellule figlie, ognuna con un assetto cromosomico aploide. Le fasi della meiosi: MEIOSI I: i cromosomi omologhi si separano INTERFASE PROFASE I METAFASE I ANAFASE I Centrosomi (con due coppie di centrioli) Siti del crossing-over Fuso Microtubuli attaccati al cinetocore Piano equatoriale I cromatidi fratelli restano uniti Membrana nucleare Cromatina Cromatidi fratelli Tetrade Centromero (con il cinetocore) I cromosomi omologhi si separano
La meiosi II è simile alla mitosi (con la differenza sostanziale che ha inizio da una cellula aploide anziché diploide!!): vengono separati i cromatidi fratelli di ogni coppia; si formano in tutto 4 cellule aploidi. MEIOSI II: i cromatidi fratelli si separano TELOFASE I E CITODIERESI Solco di scissione PROFASE II METAFASE II ANAFASE II TELOFASE II E CITODIERESI I cromatidi fratelli si separano Si formano quattro cellule figlie aploidi
Profase Cromosoma duplicato (due cromatidi fratelli) MITOSI Mitosi e meiosi a confronto Cellula madre (prima della duplicazione dei cromosomi) Duplicazione dei cromosomi 2n = 4 Duplicazione dei cromosomi MEIOSI MEIOSI I Profase I Si forma la tetrade mediante la sinapsi dei cromosomi omologhi Metafase I cromosomi si allineano sul piano equatoriale Le tetradi si allineano sul piano equatoriale Metafase I Anafase Telofase 2n Cellule figlie prodotte per mitosi I cromatidi si separano durante l anafase 2n Durante l anafase I i cromosomi omologhi si separano: i cromatidi fratelli rimangono uniti Non si verifica un ulteriore duplicazione dei cromosomi; i cromatidi si separano durante l anafase II Cellule figlie prodotte per meiosi I Anafase I Telofase I Aploide n = 2 n n n n Cellule figlie prodotte per meiosi II MEIOSI II Entrambe precedute da duplicazione del DNA Meiosi.Avviene solo in cellule specifiche, 2 divisioni nucleari successive, provoca dimezzamento del numero dei cromosomi, si verifica crossing over. Mitosi: avviene in tutte le cellule (n e 2n);1 sola divisione nucleare;genera 2 nuclei con lo stesso numero di cromosomi della cellula genitrice, non c è crossing over
La variabilità genetica della progenie dipende da: 1. Assortimento cromosomico indipendente 2. Crossing over 3. Fecondazione casuale 1) La disposizione casuale delle coppie di cromosomi omologhi durante la metafase I genera molte differenti possibili combinazioni di cromosomi nei gameti (nell uomo 2 23!!). Possibilità 1 Possibilità 2 Metafase della meiosi I: sono egualmente possibili entrambe le disposizioni dei cromosomi Metafase della meiosi II Gameti Combinazione 1 Combinazione 2 Combinazione 3 Combinazione 4
il crossing-over aumenta ulteriormente la variabilità genetica, producendo nuove combinazioni di geni all interno dello stesso cromosoma Geni per il colore del pelo C c C 1 Geni per il colore degli occhi E Tetrade (coppia di cromosomi e omologhi in sinapsi) I cromatidi omologhi si spezzano E c e 2 I cromatidi omologhi si saldano insieme. C c E e Chiasma C C c c C C c c 3 I cromosomi omologhi si separano (anafase II) 4 E e E e I cromosomi si separano (anafase II); la meiosi ha termine. E e E e Cromosoma parentale Cromosoma ricombinante Cromosoma ricombinante Cromosoma parentale Si producono gameti di quattro tipi genetici diversi.
Il crossing over avviene durante la profase I, quando i cromosomi omologhi sono strettamente associati mediante complesso sinaptonemale Il complesso sinaptonemale è una complessa struttura proteica somigliante ad una cerniera, che tiene uniti i cromosomi omologhi (foto riferita a pachitene)
Anomalie nella meiosi Nella maggior parte dei casi, alterazioni nel numero dei cromosomi un embrione con un numero errato di causano l aborto spontaneo, molto prima della nascita. Certe anomalie nel numero di cromosomi possono consentire la nascita e la sopravvivenza di individui portatori di tali anomalie. La sindrome di Down è causata dalla trisomia 21 Dovuta ad eventi di non corretta disgiunzione tra i cromosomi durante la meiosi (frequenza di errore aumenta con l eta della madre) 5000 Bambini affetti dalla sindrome di Down (su 1000 nati) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 25 30 35 40 Età della madre (anni) 45 50
Non disgiunzione all anafase I e/o II Non-disgiunzione durante la meiosi I Meiosi I normale Meiosi II normale Non-disgiunzione durante la meiosi II Gameti n + 1 n + 1 n -1 n -1 Numero dei cromosomi Gameti n + 1 n -1 n n Numero dei cromosomi Cellula uovo n + 1 Spermatozoo n (normale) Zigote 2n + 1
La produzione di gameti è temporalmente e qualitativamente diversa tra maschio e femmina. Nella donna ovogenesi inzia già nell embrione: dalla pubertà maturazione di un oocita alla volta, periodicamente. Nell uomo spermatozoi prodotti continuamente e massivamente dalla pubertà in poi.
OVOGENESI Alla pubertà, l ovogenesi prosegue nelle ovaie, con maturazioneperiodica di un oocita I, la meiosi dell oocita II si completa con l emissione del corpo polare solo se fecondato. Processo di maturazionemodulatodall FSH SPERMATOGENESI Avviene nei tubuli seminiferi delle gonadi maschili. Dopo la meiosi, le cellule n subiscono un ulteriore maturazione morfologica
Nel maschio i 4 prodotti aploidi della meiosi si differenziano in spermatozoi funzionali; nella femmina, entrambe le divisioni meiotiche sono asimmetriche e si genera una sola cellula uovo funzionale e 3 o 2 globuli polari che degenerano. L uovo è molto voluminoso con un citoplasma ricco di nutrienti, molecole segnale e RNA che dovranno sostenere e dirigere le prime fasi di sviluppo dello zigote mentre lo spermatozoo è compatto, con forma caratteristica e pochissimo citoplasma
Stadi della fecondazione Contatto tra spermatozoo e rivestimentogelatinoso spermatozoo digerisce il rivestimento dell uovo; si apre un varco si innesca le reazione corticale: si forma uno strato impenetrabile ad altri spermatozoi.