Il Ciclo Cellulare

IL CICLO CELLULARE Mitosi e meiosi Il ciclo cellulare comprende tutti quegli stadi attraverso i quali passa una cellula da una divisione all’altra, di solito questo meccanismo può durare dalle 8 alle 20 ore. Si compone sostanzialmente in due fasi: INTERFASE: in interfase la cellula non si sta riproducendo, ma è estremamente attiva perché sta sintetizzando lipidi, proteine e macromolecole, questo è il periodo che intercorre tra una fase M e la successiva • FASE M: in questa fase si ha la vera e propria mitosi cellulare e il processo di citocinesi. •

Inoltre in INTERFASE si possono riconoscere ulteriori tre stadi: G1: (GAP 1) questo è un intervallo fra il completamento della mitosi e l’inizio della sintesi di DNA. La crescita ed il normale metabolismo cellulare avvengono in fase G1. Durante questo periodo la cellula controlla l’ambiente esterno e le proprie dimensioni e, al momento opportuno, avvia la fase decisiva di replicazione del DNA, incrementando l’attività degli enzimi richiesti per la sintesi del DNA. • S: (SINTESI DEL DNA) durante la fase S avviene la replicazione del DNA e la sintesi degli istoni poiché la cellula deve duplicare i propri cromosomi. • G2: (GAP 2) la fase G2 fornisce un intervallo di sicurezza permettendo alla cellula di assicurarsi che la duplicazione del DNA sia stata completata prima di iniziare la mitosi. Inoltre durante questo intervallo aumenta la sintesi proteica. •

La durata del ciclo cellulare varia molto, soprattutto della fare G1, in una cellula adulta può durare dalle 12 alle 36 ore, la differenza della durata del ciclo cellulare, quindi, si trova proprio in G1. Infatti, alcune cellule, come quelle nervose, si arrestano nella fase G1 per giorni, mesi, anni o per tutta la vita, e per questi tipi di cellule, si dice, che G1 diventa G0, e cioè una sorta di fase di congelamento mitotico. D’altro canto, nelle cellule embrionali precoci, le fasi G1 e G2 hanno tempi ristrettissimi, questo produce una replicazione mitotica a livelli esponenziali.

MITOSI La fase M è il culmine del ciclo cellulare. Durante la meiosi (e cioè la fase di duplicazione nucleare) e la citocinesi (fase di divisione citoplasmatica) il contenuto della cellula parentale che è stato raddoppiato dall’attività biosintetica della precedente interfase viene segregato in due cellule figlie. A livello molecolare la mitosi è avviata da processi di fosforilazioni a cascata di proteine che sono innescate dalla proteina chinasi che favorisce la mitosi (MPF). La mitosi è costituita da 6 fasi principali: Profase, Prometafase, metafase, anafase, telofase, e la citocinesi. •

PROFASE: la Profase inizia con la compattazione dei cromosomi quando i lunghi filamenti d’eucromatina ed eterocromatina (che vanno a formare la cromatina) diventano più corti e spessi (SPIRALIZZAZIONE) in questo modo la cromatina può essere distribuita alle cellule figlie senza aggrovigliarsi. La condensazione richiede l’intervento degli ISTONI e delle CONDENSINE. Gli istoni, e principalmente l’istone “H1” sono i responsabili dell’impacchettamento l’uno sull’altro del DNA, la loro attivazione è data direttamente dall’MPF, e si vanno a collocare all’altezza del DNA di giunzione. Le condensine, invece, sono delle proteine responsabili dell’avvolgimento e della costituzione delle doppie anse spiralate del DNA, anche queste sono attivate direttamente dall’MPF. Le anse spiralate vengono compattate ancora una volta a formare un cromosoma mitotico. Tutti i cromosomi duplicati durante la fase S, formano delle coppie d’unità identiche, chiamati “CROMATIDI FRATELLI”. I cromatidi fratelli si associano tra loro tramite la coesina, una proteina che li lega all’altezza del centromero. Ad ogni centromero è associato un cinetocoro, e cioè una struttura proteica costituito da due lamine più dense e una meno densa, questa è la struttura che lega i cromosomi con i microtubuli (metafase). Oltre la condensazione della cromatina in due cromatidi fratelli si ha la frammentazione in vescicole più piccole del reticolo endoplasmatico (R.E.) e dell’apparato del Golgi, in questo modo possono essere distribuiti fra le due cellule figlie al momento della citocinesi. L’involucro nucleare e il nucleolo iniziano a sparire, con la scomparsa del nucleolo si ha il blocco della sintesi dell’RNA. I microtubuli interfasici si disassemblano facendo partire la formazione del fuso mitotico, il fuso all’inizio si assembla tra i centrosomi (costituiti da due coppie di cetrioli) che si separano e si spostano fuori dal nucleo disponendosi verso i due poli cellulari.

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PROMETAFASE: con la prometafase si ha la fine della disgregazione dell’involucro nucleare e l’organizzazione del fuso mitotico. Il fuso è costituito dai due centrosomi, dai microtubuli del raggio, dai microtubuli polari e dai microtubuli del cinetocoro. I microtubuli del cinetocoro si legano al cinetocoro da entrambi i lati del centromero di ogni

cromosoma e li iniziano a spostare verso il centro della cellula. Per questo motivo, questa divisione è descritta come una sfera (la struttura della cellula) con un equatore che determina il piano equatoriale (i cromosomi disposti lungo la stessa linea centrale della cellula) e due poli opposti (e cioè i due centrosomi nei due settori opposti). I microtubuli polari si originano dai due centrosomi e si irradiano verso la piastra equatoriale, ma a differenza dei microtubuli del cinetocoro, questi si legano con gli altri microtubuli polari del settore opposto, non legando, quindi, i cromosomi. I microtubuli del raggio (o dell’astrosfera) legano saldamente i centrosomi con la membrana cellulare, non permettendoli, quindi, altri movimenti. • METAFASE: i cromosomi si allineano ordinatamente sul piano equatoriale della cellula, la microtubulina cresce verso il polo positivo, e per crescere aggiunge a questo polo altra microtubulina, facendo questo i microtubuli si spostano verso la zona equatoriale della cellula, nel frattempo i microtubuli polari crescono e si sovrappongono attraverso una proteina motrice (chinesina) subito dopo si attiva una proteina che controlla che questo allineamento sia perfetto successivamente attiva il complesso che promuove l’anafasa (APC) • ANAFASE: la coesina localizzata nei centromeri si disaggrega consentendo la separazione dei due cromatidi fratelli un intero corredo cromosomico migra verso ciascun polo. Questo movimento viene chiamato “movimento di anafase di tipo A” comportando l’accorciamento dei microtubuli del cinetocoro attraverso la dineina (proteina motrice) che man mano che “indietreggia” taglia i legami di microtubulina e si sposta lungo il polo negativo avvicinandosi ai due centrosomi. con il “movimento di anafase di tipo B” si ha l’allungamento dei microtubuli polari attraverso la chinesina (proteina motrice), questo produce l’assemblamento di altre unità di microtubulina determinando l’allontanamento reciproco dei centrosomi che portano con loro il corredo cromosomico. I due poli opposti devono esercitare una forza di tensione attraverso i microtubuli dell’astrosfera collegati alla corteccia cellulare, alla fine dell’anafase li depolimerizzano (disassemblano), questo favorisce ancora di più la separazione dei due poli. •

TELOFASE: con la telofase i cromosomi monocromatidici arrivano ai due poli della cellula in mitosi, i cromosomi si decondensano e si despiralizzano, attorno ad ogni serie di cromosomi compare un involucro nucleare costituito da piccole vescicole e da altre componenti del vecchio involucro nucleare. Si iniziano a riformare i pori nucleari. Le proteine iniziano a ritornare nel nucleo e il nucleolo, quindi si inizia a riformare la sinterizzazione dell’RNA ribosomiale. Mentre i microtubuli del cinetocoro scompaiono, quelli polari continuano a distanziare i due nuclei. Si riformano gli organelli, i mitocondri e i perossisomi si formano per crescita e scissione degli organelli preesistenti,

il reticolo endoplasmatico e l’apparato di Golgi (divisi in vescicole più piccole durante G2, si associano ai microtubuli del cinetocoro durante la separazione dei cromosomi) fondono le vesicole separate in profase. • CITOCINESI: la citocinesi, cioè la divisione del citoplasma per produrre due cellule figlie, comincia durante la telofase (si sovrappone alla mitosi). un anello di microfilamenti di actina contrattili con ponti di miosina associati alla membrana plasmatica circonda la cellula nella regione equatoriale perpendicolarmente al fuso. La contrazione dell’anello produce un solco di divisione che gradualmente si approfonda e separa il citoplasma in due cellule figlie ciascuna con un nucleo completo.

SISTEMI DI CONTROLLO DELLA MITOSI Quando una cellula entra in G1 verifica il proprio volume e l’ambiente circostante, una volta fatto questo la cellula continua il ciclo cellulare con la fase S, e cioè quella di duplicazione del DNA (startpoint). Se una cellula inizia a divedersi non può più fermarsi, ma soprattutto procede solo in una direzione e cioè G1 -> S -> G2 -> M. La fase successiva non inizia se non è stata accertata la conclusione a buon fine della fase precedente. PUNTI DI CONTROLLO •

G1 (startpoint): al punto di controllo di G1, la cellula controlla le sue dimensioni, questo controllo è fatto attraverso un meccanismo che mette in rapporto il proprio nucleo con il citoplasma (rapporto nucleo-citoplasmatico),

inoltre verifica la presenza dei nutrienti nel meso extracellulare (glucosio…), verifica la presenza dei fattori di crescita che possono essere comuni o specifici (i fattori di crescita sono degli attivatori di proteine per andare oltre lo startpoint), e infine verifica se nel DNA non ci siano mutazioni tali da pregiudicare la buona uscita della mitosi. Se uno di questi non avviene la cellula si blocca nello stato G0 (stato di quiescenza), altrimenti supera lo startpoint e inizia a dividersi. • Tra G2 e M: un altro punto di controllo è situato tra la fine di G2 e l’ingresso di M, qui la cellula controlla, prima di entrare in mitosi, le sue dimensioni, e cioè se ha raddoppiato il suo volume, e se il DNA, in fase S, sia stato completamente duplicato. Anche qui, se uno dei meccanismi non ha avuto luogo, la cellula si blocca in uno stato di quiescenza. Altrimenti entra in Mitosi. • METAFASE: in metafase si ha l’ultimo punto di controllo e cioè quello dell’assemblaggio del fuso, in poche parole i cromosomi devono essere allineati perfettamente sulla piastra equatoriale. Se questo meccanismo non avviene, la cellula blocca la fase di duplicazione e non entra in telofase, in questo caso la cellula va in contro ad apoptosi.

PROTEINE DEI PUNTI DI CONTROLLO Le proteine dei punti di controllo della mitosi vanno sotto un complesso chiamato “protein-chinasi-ciclino-dipendenti”. Le protein-chinasi-ciclino-dipendenti attivano altre proteine tramite fosforilazioni e per fare ciò devono agganciarsi ad una ciclica, questo meccanismo avviene durante tutto il ciclo cellulare. I livelli delle cicline cambiano continuamente durante il ciclo cellulare, per questo motivo la chinasi è sempre dipendente, invece la ciclina no. La protein-chinasi-ciclino-dipendente che si lega alla proteina di tipo G1 è quella che agisce allo startpoint ed è quella che prepara la cellula a passare da G1 a S. Quando la cellula supera G1 e lo startpoint, si ha un nuovo complesso di proteine che si legano ad una ciclina, questo complesso viene chiamato S-CdK che avvia la replicazione del DNA. L’M-CdK è un altro complesso che promuove la mitosi (MPF). L’MPF svolge tre funzioni, degrada l’involucro nucleare, condensa i cromosomi (MOF) e forma il fuso mitotico; se si blocca l’MPF il ciclo cellulare si blocca.

Per attivare l’MOF, l’MPF fosforila direttamente l’istone H1 permettendo l’impacchettamento dei cromosomi, quindi le condensine sono attivate direttamente dall’MPF. Un altro probabile coinvolgimento dell’MPF è nell’organizzazione del fuso mitotico, infatti si possono trovare tracce di MPF legate saldamente ai centrosomi. L’MPF, inoltre, attiva il “complesso che promuove l’anafase” (APC).

MEIOSI Nella maggior parte delle forme di riproduzione asessuata tutte le cellule sono prodotte per MITOSI, cosicché i loro geni ed i caratteri ereditati sono identici a quelli del genitore. Un tale gruppo di organismi geneticamente identici è chiamato CLONE. La riproduzione asessuata permette ad individui ben adattati al loro ambiente di riprodurre nuove generazioni di individui ugualmente adattati la riproduzione asessuata avviene in modo rapido ed efficiente, in parte perché l’organismo non deve spendere energia per trovare un partner. La riproduzione sessuata, invece, è l’unione di due cellule specializzate chiamate GAMETI, per formare una singola cellula chiamata ZIGOTE. I gameti, di solito, derivano da due diversi genitori: uno spermatozoo e una cellula uovo. La riproduzione sessuata porta a variabilità genetica all’interno della prole e cioè sono individui geneticamente non identici ai genitori, cosicché alcuni possono sopravvivere a variazioni ambientali e a stress meglio do loro, mentre altri che

presentano una diversa combinazione di caratteri sono meno adatti a sopravvivere. Un set di cromosomi contiene un cromosoma per ogni tipo, cioè un membro di ciascuna coppia di cromosomi omologhi. In un corredo di cromosomi dipolide ci sono 46 cromosomi (23 coppie) per ogni cellula, in un corredo di cromosomi aploide ci sono 23 cromosomi ( non più 23 coppie, ma 23 singoli cromosomi) per ogni cellula. La MEIOSI è una particolare divisione cellulare che riduce il numero dei cromosomi dei gameti, questo comporta 2 divisioni citoplasmatiche e 2 divisioni nucleari con potenziale produzione di 4 cellule aploidi. Il DNA e gli altri componenti nucleari subiscono una sola duplicazione durante l’interfase che precede la prima divisione meiotica; ognuna delle 4 cellule prodotte dalla meiosi contiene un numero aploide di cromosomi; durante la meiosi l’informazione genetica che proviene da entrambi i genitori viene rimescolata: ogni cellula aploide prodotta contiene una combinazione di geni potenzialmente unica. La meiosi consiste in due divisioni nucleari e citoplasmatiche, quindi si possono riconoscere 2 fasi meiotiche, chiamate MEIOSI I e MEIOSI II • MEIOSI I: i membri di ogni coppia di cromosomi omologhi prima si uniscono, poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti. • MEIOSI II: i cromatidi fratelli che costituiscono ciascun cromosoma omologo si separano e vengono distribuiti ai nuclei delle cellule figlie.

MEIOSI I Nella meiosi I troviamo a grandi linee tutte le fasi della mitosi, per cui anche qui ci saranno: profase I, metafase I, anafase I e telofase I. •

PROFASE I: durante la fase S che precede la meiosi, ciascun cromosoma viene duplicato come nella mitosi, per cui ogni cromosoma duplicato è costituito da due cromatidi. In profase I, mentre i cromatidi hanno forma di lunghi e sottili filamenti, i cromosomi omologhi si separano longitudinalmente (con complessi chiamati SINAPSI), formando le TETRADI (in una cellula ci sono 46 coppie di cromosomi, di cui 23 coppie paterne e 23 coppie materne, in pratica si ha un totale di 92 cromatidi). Le sinapsi sono il punto di incontro di 2 coppie cromosomiche, una materna e una paterna. Durante la sinapsi, i cromosomi omologhi si associano strettamente formando quello che è chiamato COMPLESSO SINAPTILEMALE. Si ritiene che il complesso sinaptilemale giochi un ruolo fondamentale nel CROSSING-OVER, che è un processo in cui i cromosomi

omologhi appaiati si scambiano materiale genetico (DNA). Il crossing-over produce nuove combinazioni di geni, la ricombinazione genetica aumenta notevolmente la variabilità genetica, ciè le nuove combinazioni di caratteri tra i discendenti della riproduzione sessuata. Come nella profase mitotica, anche nella profase I meiotica si forma il fuso costituito dai microtubuli e dalle altre componenti; una coppia di cetrioli migra ad ogni polo e si costituisce l’aster; in tarda profase I scompare l’involucro nucleare e si evidenziano le tetradi. In tarda profase I, i cromatidi fratelli continuano ad essere associati lungo il loro asse maggiore, mentre i centromeri, e di conseguenza i cinetocoro, dei cromosomi omologhi si separano l’uno dall’altro, restando uniti solo in corrispondenza di regioni particolari, denominati CHIASMI. Ogni chiasma corrisponde ad un sito in cui i cromatidi omologhi, che hanno subito precedentemente la rottura e lo scambio di materiale genetico (crossing-over), si sono ricongiunti e mostrano una configurazione a χ (x). • METAFASE I: nella metafase I le tetradi si allineano lungo la piastra equatoriale. I cinetocori fratelli di un cromosoma sono connessi mediante le fibre del fuso ad uno dei due poli, mentre quelli del cromosoma omologo sono collegati all’altro polo, questa è una sostanziale differenza nei confronti della mitosi. Poiché i cromosomi sono orientati a caso ogni cellula figlia riceverà casualmente una parte dei cromosomi paterni e una parte dei cromosomi materni. ANAFASE I: in anafase I i cromosomi omologhi di ogni coppia si separano e migrano verso i poli opposti della cellula. Ogni polo riceve un’insieme casuale di cromosomi materni e paterni, ma un solo rappresentante di ogni coppia di cromosomi omologhi è presente ad ogni polo. I cromatidi fratelli sono ancora uniti nella regione centromerica, questa è un’altra differenza con la mitosi. • TELOFASE I: durante la telofase I i cromatidi si decondensano, l’involucro nucleare di riorganizza ed ha luogo la citocinesi. Il nucleo contiene il numero aploide di cromosomi (23 singoli) ma ogni cromosoma è duplicato, perciò si avranno 23 cromosomi doppi. • INTERFASE: l’interfase è un breve periodo che si interpone tra la meiosi I e la meiosi II; in questo periodo non si duplica il DNA, quindi non c’è una seconda fase S, il tempo dell’interfase è brevissimo, fino a scomparire in alcuni organismi. • PROFASE II: la profase II è molto breve perché i cromosomi sono già condensati nel nucleo cellulare; non si ha l’accoppiamento dei cromosomi omologhi e, soprattutto, non si ha il crossing-over. • METAFASE II: durante la metafase II, i cromosomi si allinenano sul piano equatoriale delle rispettive cellule. Se in metafase I i cromatidi erano disposti in gruppi di 4 (tetradi), in metafase II i cromatidi sono disposti in gruppi di due, analogamente alla metafase mitotica. • ANAFASE II: durante l’anafase II, i cromatidi, attaccati alle fibre del fuso tramite i cinetocori, si separano e migrano ai poli opposti, situazione analoga all’anafase mitotica. Ogni cromatide viene indicato ora come cromosoma •

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TELOFASE II: nella telofase II i cromosomi omologhi si sono spostati ormai nei due poli differenti, ri ricostruiscono gli organelli e il nucleo.i cromosomi monocromatici si despiralizzano per formare i nuovi filamenti di cromatina e si verifica la citocinesi. Ormai la cellula madre (spermatozoo o oocita) si è duplicata in 4 cellule figlie, ciascuna con un corredo aploide di cromosomi, le informazione geniche delle cellule figlie, però, sono potenzialmente diverse da quelle della madre.

GAMETOGENESI • SPERMATOGENESI: la spermatogenesi è la formazione di 4 spermatozoi aploidi per ogni cellula. Lo spermatozoo che va in contro a spermatogenesi è chiamato SPERMATOCITA PRIMARIO. • OVOGENESI: la cellula uovo che va in contro a ovogenesi è definita OOCITA PRIMARIO, l’ovogenesi è la formazione di una singola cellula uovo per ogni oocita primario che entra in mitosi. Questo è determinato da un processo che indirizza tutto il citoplasma ad uno solo dei due nuclei in ciascuna divisione meiotica. Alla fine della prima divisione meiotica un nucleo viene mantenuto, mentre l’altro, chiamato PRIMO GLOBULO POLARE, degenera. In modo simile alla fine della seconda divisione meiotica, un nucleo diventa il SECONDO GLOBULO POLARE, mentre l’altro sopravvive, tale nucleo riceve la massima parte del citoplasma e dei nutrienti della cellula madre che è entrata in meiosi.