LA FASE M DEL CICLO CELLULARE MITOSI La fase M del ciclo cellulare comprende mitosi e citochinesi ed è innescata da M-CdK (chinasi ciclinadipendente di fase M) e da M-ciclina. Struttura del citoscheletro durante la fase M 1) Duplicazione del centrosoma (con i centrioli); 2) formazione del fuso mitotico; 3) formazione dell anello contrattile Comprende numerosi e spettacolari eventi cellulari. Ciclo del centrosoma Il centrosoma si duplica durante la fase S. Si separa all inizio della fase M e organizza il fuso mitotico. Ciascuna cellula poi riceve un solo centrosoma. CARIOTIPO UMANO (2N) CROMOSOMI OMOLOGHI: SONO DIVERSI, UNO DI DERIVAZIONE MATERNA, UNO DI DERIVAZIONE PATERNA 1
La mitosi produce due cellule geneticamente identiche alla cellula madre La mitosi comprende 5 stadi: Profase, Prometafase, Metafase, Anafase e Telofase e si conclude con la divisione citoplasmatica detta citochinesi. I 5 stadi si succedono temporalmente l uno all altro. La citochinesi invece inizia già nella tarda anafase. PROFASE I cromosomi sono così fortemente condensati da poter essere osservati al microscopio ottico e con i due cromatidi fratelli indistinguibili. Tutte le attività cellulari (compresa la sintesi proteica) vengono ridotte al minimo. Avviene la disgregazione del nucleolo. Il centrosoma, regione costituita da materiale amorfo contenente una coppia di cetrioli, costituisce il centro organizzatore dei microtubuli (MTOC) e comincia a dividersi formando due aster (stelle) che si allontanano sempre più verso i poli opposti della cellula a formare il fuso primario astrale. Il fuso può contenere da dieci a diverse migliaia di microtubuli. 2
Fuso mitotico Durante la profase i microtubuli formano il fuso mitotico ma hanno una grande instabilità dinamica. I microtubuli di un aster si stabilizzano quando incontrano quelli dell aster opposto e grazie a proteine associate ai microtubuli (MAP). Esiste (ad es. nelle cellule vegetali) anche un fuso anastrale che è privo sia di aster che di centrioli. Si formano i microtubuli interpolari ed i poli del fuso. PROMETAFASE La prometafase ha inizio con il dissolvimento dell involucro nucleare che si frantuma in vescicole membranose che si dispongono in maniera invisibile attorno al fuso. Ciò avviene per fosforilazione di alcune proteine della membrana nucleare (lamine nucleari). All inizio della fase M i due cromatidi fratelli sono appaiati ed uniti dai centromeri i quali sviluppano dei complessi proteici chiamati cinetocori che portano legati da 20 a 40 microtubuli chiamati microtubuli del cinetocore. Una volta che è stato eliminato l ostacolo della membrana nucleare, i microtubuli possono entrare all interno del nucleo andando ad agganciare i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma al complesso proteico del cinetocore diventando microtubuli del cinetocore per distinguerli dagli altri microtubuli del fuso detti microtubuli interpolari, mentre quelli esterni al fuso sono detti microtubuli astrali. 3
METAFASE L azione dei microtubuli (allungamento e accorciamento), all equilibrio permette il perfetto allineamento dei cromosomi a formare la piastra metafasica, al punto che l ipotetica linea dell equatore passa al centro dei cromosomi con un cromatidio in un emisfero e il cromatidio fratello nell altro. La metafase é un periodo mitotico piuttosto lungo probabilmente perché occorre del tempo per l allineamento dei cromosomi sulla piastra metafasica. Se si aggiungono dei farmaci depolimerizzanti i microtubuli come la colchicina e la vinblastina la mitosi si arresta. ANAFASE All anafase i cromatidi fratelli con ognuno un cinetocore si separano verso i poli opposti del fuso. I cromatidi di ciascun cromosoma cominciano a separarsi dirigendosi ognuno verso il proprio polo; operazione che si completa alla tarda anafase. Il movimento dei cromatidi verso il polo é accompagnato dall accorciamento dei microtubuli del cinetocore e questo periodo é n o t o c o m e A n a f a s e A e dall allontanamento dei due poli del fuso, Anafase B. Queste due anafasi possono essere distinte con i farmaci: ad es. l idrossido di cloralio impedisce l anafase B cioè l allungamento dei microtubuli ma non ha effetto sull anafase A. 4
trazione verso il cortex cellulare crescita + scorrimento IL CICLO CELLULARE RAGGIUNGE IL CULMINE CON LA SEPARAZIONE DEI CROMATIDI FRATELLI (DURANTE LA FASE M, TRANSIZIONE METAFASE- ANAFASE). M-CDK PROMUOVE LA FASE M MA UN ALTRO COMPLESSO DETTO APC (COMPLESSO CHE PROMUOVE L ANAFASE) FA SCATTARE L INTERRUTTORE CHE INIZIA LA SEPARAZIONE DEI CROMATIDI FRATELLI. APC HA FUNZIONE DI UBIQUITINA LIGASI Bersaglio di APC è la proteina SECURINA. Prima della separazione dei cromatidi fratelli, la securina si lega, inibendola, ad una proteasi detta SEPARASI. La distruzione della securina, alla fine della metafase, rilascia la separasi che è allora libera di tagliare una delle subunità del complesso delle COESINE securina separasi 5
TELOFASE Terminata l anafase cioè la migrazione di tutti i cromatidi verso il proprio polo, i microtubuli del cinetocore scompaiono, cominciano a riapparire i nucleoli e a ricostituirsi, per defosforilazione delle lamine che avevano provocato la disgregazione dell involucro nucleare, i due nuclei figli. Successivamente il nucleo si espande ed i cromosomi si decondensano. Riprende la trascrizione. Divisione degli organuli Per quanto riguarda i mitocondri e i cloroplasti, essi devono replicare il loro DNA nell interfase per poi dividersi in due mediante la formazione di un solco. Il Reticolo Endoplasmatico e l Apparato di Golgi si frammentano in seguito al rimaneggiamento dei microtubuli e restando attaccati ad essi sotto forma di piccole vescicole, si distribuiscono tra le due cellule. CITOCHINESI La citochinesi inizia nell anafase e continua nella telofase fino all interfase. Nella parte mediana della cellula viene a formarsi, per mezzo di un anello contrattile costituito da filamenti di actina (e miosina), un solco di scissione. L anello contrattile scompare completamente alla fine della divisione cellulare; la sua scomparsa fa sì che il solco di scissione della membrana plasmatica si stringa attorno al corpo intermedio, che diventa sempre più sottile (come un cordone) fino a spezzarsi e a dar luogo a due cellule figlie. 6
MITOSI NELLE CELLULE VEGETALI Nelle cellule vegetali, la citochinesi avviene per formazione di una nuova parete cellulare tra le due cellule. L aggregazione è guidata dal fragmoplasto composto da residui dei microtubuli interpolari a cui si legano vescicole derivanti dal Golgi piene di componenti della parete cellulare. La mitosi produce due cellule geneticamente identiche alla cellula madre RIPRODUZIONE La riproduzione permette il trasferimento del materiale genetico a nuovi individui assicurando la continuazione della Specie: gruppo di organismi con struttura, funzione e comportamento simili; prole feconda LA RIPRODUZIONE può essere: ASESSUATA E SESSUATA ma può avvenire anche per PARTENOGENESI RIPRODUZIONE ASESSUATA Genera organismi geneticamente identici a chi li ha generati. Negli organismi unicellulari essa equivale alla divisione cellulare dove la cellula figlia contiene lo stesso patrimonio genetico della cellula parentale perché prima di dividersi si é duplicata esattamente in due. I procarioti (alghe azzurre e batteri) contengono un solo cromosoma circolare con una sola molecola di DNA che si duplica prima della divisione. Negli eucarioti unicellulari (protisti, alghe e alcuni lieviti) la divisione cellulare é preceduta dalla mitosi. 7
RIPRODUZIONE ASESSUATA: 1. SCISSIONE BINARIA Si riproducono asessualmente gli organismi unicellulari ma anche alcune specie di pluricellulari. RIPRODUZIONE SESSUATA E quella che origina dalla fusione di due cellule sessuali diverse o GAMETI prodotti da due genitori di sesso diverso. I due gameti che si fondono (FECONDAZIONE) formano la prima cellula di un nuovo organismo: LO ZIGOTE. Solo nell ermafroditismo lo stesso individuo produce sia il gamete maschile che quello femminile. La FECONDAZIONE può essere ESTERNA (pesci, anfibi) o INTERNA (rettili, uccelli e mammiferi). Molti ORGANISMI viventi sono DIPLOIDI (2n) cioè hanno un doppio corredo cromosomico, due cromosomi per ogni tipo, uno di origine materna e uno di origine paterna. Nell uomo il numero diploide di cromosomi è 46, il numero aploide 23. Le due versioni parentali dello stesso cromosoma non sono identiche, quindi le due versioni di ogni cromosoma sono dette CROMOSOMI OMOLOGHI. In una cellula diploide i due cromosomi sono omologhi cioè pur non essendo identici (in quanto i geni omologhi possono essere diversi nelle loro sequenze nucleotidiche), contengono la stessa sequenza di geni. DUE FORME DELLO STESSO GENE (che differiscono per una o più mutazioni) si chiamano ALLELI. Gli alleli producono proteine che possono differire per uno o più aminoacidi. Molti altri ORGANISMI sono invece APLOIDI (1n). Se ogni gamete avesse lo stesso numero di cromosomi delle cellule del genitore che lo produce, allora lo zigote avrebbe un numero doppio di cromosomi e questo raddoppiamento avverrebbe ad ogni generazione. Con quale sistema gli organismi viventi evitano di produrre zigoti con un numero sempre crescente di cromosomi? CON UN PROCESSO DETTO Meiosi (dal greco meiosis, diminuzione). La Meiosi è il processo per mezzo del quale le cellule germinali si dividono dimezzando il loro corredo cromosomico. 8
La RIPORDUZIONE SESSUATA avviene tramite la FUSIONE DI DUE CELLULE APLOIDI cioè aventi un corredo cromosomico dimezzato (in seguito alla meiosi) dette GAMETI. Negli animali uno è grande e immobile (cellula uovo) ed uno piccolo e mobile (spermatozoo). Dalla fusione di due cellule aploidi, per fecondazione, si ottiene un organismo diploide. Successivamente, un discendente di questa cellula diploide si divide producendo nuove cellule aploidi e così via mediante la meiosi. La RIPRODUZIONE SESSUATA comprende quindi, due eventi fondamentali: LA MEIOSI e LA FECONDAZIONE. Il ciclo della vita sessuata comporta quindi l alternanza fra generazioni di cellule aploidi e cellule diploidi. Possiamo distinguere le CELLULE ANIMALI in cellule SOMATICHE e cellule GERMINALI. Le cellule somatiche (2n) sono la quasi totalità delle cellule di un organismo. Le cellule germinali sono quelle che mediante MEIOSI daranno origine ai gameti aploidi 1A 1A 1B 1A 1A 1B Meiosi 1A 1A Avvengono due divisioni successive ad un unico evento di duplicazione del DNA. Prima e seconda divisione meiotica: I cromosomi omologhi vengono duplicati e si presentano come cromatidi fratelli congiunti, per cui per produrre i gameti aploidi occorrono due divisioni nucleari. Da ogni cellula diploide si ottengono due cellule figlie diploidi (I a divis. meiotica) e da ognuna di queste si ottengono due cellule aploidi (II a divis. meiotica). A differenza della Mitosi dove la divisione porta alla formazione di due cellule diploidi, ogni cellula diploide che va in meiosi produce quattro cellule aploidi. 9
MEIOSI I Crossing-over dei cromosomi I geni provenienti dal padre e dalla madre vengono rimescolati con la ridistribuzione a caso degli omologhi materni e paterni nelle cellule figlie al momento della I meiosi cosicché ogni figlio é diverso dai genitori e dagli altri figli perché acquisisce una miscela diversa di cromosomi materni e paterni. Inoltre, DURANTE LA PROFASE della I divisione meiotica parti di cromosomi omologhi si scambiano di posto dando cioè luogo a quello che si chiama RICOMBINAZIONE O CROSSING- OVER. meiosi I, profase I Leptotene i cromosomi si rendono visibili Zygotene le coppie di cromosomi omologhi formano le tetradi Pachitene crossing over Diplotene i cromosomi iniziano a separarsi ma sono tenu= insieme dai chiasmi Diacinesi ulteriore accorciamento dei cromosomi omologhi Si ha la formazione di un Chiasma cioè uno scambio a filamenti incrociati tra due eliche di DNA omologhe, però di cromatidi non fratelli: Nell uomo se ne osservano 2-3 per ogni bivalente. Con questa operazione i geni ereditati dai due genitori si combinano dando luogo ad un cromosoma che non è esattamente uguale a quello della madre e del p a d r e, m a c o s t i t u i s c e u n a importante causa di variabilità genetica. Si può parlare di crossing-over solo quando lo scambio avviene tra cromatidi non fratelli di cromosomi omologhi. Il processo di appaiamento dei due cromosomi omologhi costituisce la SINAPSI che avviene grazie a proteine che mantengono allineati i 4 cromatidi del bivalente: il complesso sinaptinemale. Questo allinea il filamento di DNA di un omologo con il corrispondente filamento dell'altro per il crossingover in modo che i geni vengano a trovarsi in corrispondenza. Metafase in Mitosi E tipico della meiosi l appaiamento tra i cromosomi omologhi duplicati. Metafase in Meiosi I bivalente o tetrade 2) METAFASE I Si disperde la membrana nucleare e i microtubuli formano il fuso come nella Mitosi, con la differenza che nella Metafase Mitotica i microtubuli agganciano i cinetocori di entrambe le facce del centromero, mentre nella Metafase Meiotica i microtubuli possono agganciare solo i cinetocori delle facce esterne del centromero dei 2 omologhi. 10
METAFASE MITOSI I chiasmi contribuiscono a tenere allineati gli omologhi materni e paterni fino all anafase I. Le coesine vengono degradate ma non quelle centromeriche. 3) ANAFASE I Avvenuto l'allineamento dei 2 omologhi all'equatore i microtubuli cominciano ad accorciarsi tirando i cinetocori (con i due cromosomi) verso i poli opposti. Ogni cinetocore é tirato solo da un polo (e non da entrambi come nella mitosi) per cui esso arriva integro al polo portando con sè i due cromatidi fratelli. ANAFASE MITOSI: migra 1 cromatidio fratello verso ciascun polo L'allineamento all'equatore dei due omologhi é casuale per cui é casuale quale dei due cromosomi vada verso un polo o verso l'altro provocando, come conseguenza, l'assortimento indipendente d e l l e caratteristiche genetiche portate sui diversi cromosomi. Il numero delle combinazioni possibili é uguale a 2 elevato alla potenza del numero di paia di cromosomi. Se ad es. si allineano tre paia di cromosomi (cellula ipotetica) si possono ottenere 2 3 =8 gameti differenti. 4) TELOFASE I Terminata l'anafase I ogni polo della cellula contiene un intero set (46) cromosomi, cioé una copia di ciascun paio di omologhi formato da due cromatidi fratelli non più identici (a causa del crossing-over) uniti da un comune centromero. Questo stadio, in cui i due set sono separati ai rispettivi poli e cominciano a decondensarsi, si chiama Telofase I e può essere seguita o meno dalla CITOCHINESI e dopo un intervallo di tempo molto variabile dalla MEIOSI II. 11
MEIOSI II La II divisione meiotica é una divisione mitotica non preceduta però dalla duplicazione dei cromosomi. Per entrare in Meiosi II i cromosomi si ricondensano, le fibre del fuso di ciascun polo si legano ai cinetocori di ciascun lato del centromero (Profase II), dopo allineamento (Metafase II) i due cromatidi vengono separati e tirati verso i poli opposti (Anafase II). I nuclei si riorganizzano, si riforma la membrana nucleare attorno ai 4 set di cromosomi fatto ciascuno di 23 cromosomi. Si ottengono quindi, di 4 cellule (gameti) aploidi. Essi possono funzionare direttamente come gameti negli animali o si possono dividere per mitosi come avviene nelle piante, nei funghi e in molti protisti. Vengono degradate anche le coesine centromeriche MEIOSI E VARIABILITA GENETICA La riproduzione sessuata ha il grande vantaggio dell evoluzione della specie perchè aumenta la variabilità genetica con i seguenti meccanismi: assortimento indipendente dei cromosomi omologhi nella I divisione meiotica; ricombinazione o crossing-over tra cromosomi omologhi (che avviene solo nella Profase della I divisione meiotica); casualità della fecondazione di una cellula uovo da parte di uno spermatozoo. 2 23 =8.4 x 10 6 MEIOSI E VARIABILITA GENETICA I tre meccanismi contribuiscono a mescolare i geni degli individui di una popolazione, ma sono le mutazioni che creano la base per diversità genica di una popolazione. Dalla segregazione indipendente di 23 paia di cromosomi si possono ottenere 2 23 = 8 milioni di gameti; alla fecondazione: 8 milioni x 8 milioni = 64 trilioni; aggiungendovi anche il crossing-over le possibilità sono pressoché illimitate! MITOSI E MEIOSI Alcune differenze tra MITOSI E MEIOSI Nella meiosi I si separano i cromosomi omologhi Nella meiosi II si separano i cromatidi fratelli 12