Divisione cellulare: mitosi, meiosi e controllo del ciclo cellulare

Divisione cellulare nei procarioti:

Divisione cellulare nei procarioti

Nelle cellule procariote la maggior parte del materiale ereditario è formata da un’unica lunga molecola circolare di DNA,detta cromosoma,a cui sono associate delle proteine;esso si duplica prima che la cellula si divida.

-> I due cromosomi figli sono attaccati in due punti diversi della membrana cellulare;man mano che la cellula si allunga,essi si allontanano,e raggiunta la dimensione doppia rispetto a quella originale,la membrana cellulare si ripiega verso l’interno formando una nuova parete cellulare che divide le nuove cellule e i rispettivi cromosomi.

Divisione cellulare negli eucarioti

Nelle cellule eucariote la divisione del materiale genetico è più complessa.

Le cellule eucarioti contengono 1000 volte più DNA di una cellula procariote,ed esso è lineare e contiene un certo numero di cromosomi separati.

Avviene così la mitosi,una sequenza di fasi in cui una serie completa di cromosomi viene assegnata a ciascuno dei nuclei delle cellule figlie.

Alla mitosi segue generalmente la citodieresi,un processo che divide la cellula in due nuove cellule contenenti il nucleo completo di tutti i cromosomi e metà del citosol e degli organuli della cellula madre.

La mitosi e la citodieresi però sono solo due fasi del un processo detto ciclo cellulare.

Ciclo cellulare e sue fasi

Il ciclo cellulare è una sequenza regolare e ripetitiva di crescita e di divisione,che si divide in cinque fasi:

- FASE G1 : la cellula raddoppia le sue dimensioni,e aumentano di numero organuli,enzimi e altre molecole e strutture citoplasmatiche.,compresi i centrioli( microtubuli di natura proteica) [-> piante e nei fiori non li hanno]

- FASE S : il DNA e le proteine associate si duplicano,formando due copie dell’informazione genetica della cellula

- FASE G2: i cromosomi duplicati,che prima erano dispersi nel nucleo sotto forma di filamenti raggomitolati di cromatina,si spiralizzano e si condensano in una forma compatta.

- MITOSI : i due assetti cromosomici si separano

- CITODIERESI : il citoplasma viene ripartito tra le cellule

Il tempo necessario per il completamento del ciclo varia tra poche ore e parecchi giorni,e dipende sia dal tipo di cellula,sia da fattori esterni come la temperatura o le sostanze nutritive disponibili.

Ciclo cellulare e cellule staminali

Alcuni tipi di cellule passano attraverso successivi cicli cellulari per tutta la vita,come gli organismi unicellulari e alcune cellule animali e vegetali ; un esempio sono le cellule staminali nel midollo osseo umano,che si dividono continuamente per dare origine ai globuli rossi del sangue,che,come altre cellule molto specializzate,perde la capacità di duplicarsi una volta raggiunta la maturità. (2,5 milioni di globuli rossi al secondo)

Altri tipi di cellule mantengono la loro capacità di duplicarsi dopo la maturità solo in determinate occasioni ; per esempio le cellule del fegato umano non si duplicano in condizioni normali,ma se viene asportata una parte del fegato,esse si duplicano fino a quando il fegato raggiunge la sua dimensione normale.

Controllo della divisione cellulare

In ogni organismo pluricellulare è fondamentale che le cellule si dividano a un ritmo tale da produrre le cellule necessarie alla crescita e al mantenimento,senza però superare il fabbisogno,poiché i tessuti specializzati verrebbero invasi dalle cellule in rapida divisione [ cancro] (fabbisogno uomo: 25 milioni divisioni al secondo)

- Dipendenza dall’ancoraggio : le cellule si dividono solo quando vengono a contatto con una superficie solida

(se no: cellule dei vasi sanguigni  sangue  troppa produzione  ammassi cellulari  ostruzione vene e arterie)

- Inibizione da contatto : la divisione cellulare si arresta quando le cellule,moltiplicandosi,vengono in contatto tra loro ( come: ferita da taglio cellule danneggiate si dividono  si arrestano quando aderiscono tra di loro)

Questa sembra essere dovuta a una ridotta produzione dei fattori di crescita (proteine) ,che stimolano la divisione cellulare delle cellule aderenti. (divisione se ci sono i fattori di crescita nel citoplasma)

Funzione della mitosi

La funzione della mitosi è di dirigere gli spostamenti dei cromosomi duplicati in modo che ogni nuova cellula ne riceva un corredo completo (divisione equazionale).

All’inizio della mitosi,i cromosomi sono tanto spiralizzati da essere visibili col microscopio ottico ; ogni cromosoma è formato da due filamenti identici di materiale genetico,detti cromatidi,uniti tra loro da un punto di contatto detto centromero,dove sono presenti anche due strutture a forma di disco contenenti proteine,i cinetocori,a cui sono attaccati i microtubuli del fuso (struttura costituita da microtubuli).

Il fuso,una volta completato,ha una struttura tridimensionale a forma di pallone da rugby,ed è formato da almeno due gruppi di microtubuli,che sono responsabili della separazione dei due cromatidi uguali durante la mitosi: le fibre polari,che collegano i poli del fuso alla regione centrale, e le fibre del cinetocore,che sono attaccate ai cinetocori dei cromosomi duplicati,ed infine l’aster,un gruppo di fibre più corte che si diramano dai centrioli (fissano i poli alla membrana cellulare nella mitosi). [nelle cellule vegetali,no aster,ma parete cellulare]

Nel fuso,in corrispondenza di ciascun polo è presente una coppia di centrioli appena duplicata.

La tipica forma tondeggiante è dovuta al fatto che le molecole di tubulina dei microtubuli sono prese in prestito dal citoscheletro durante la mitosi;una volta smontato il fuso la cellula torna ad avere il suo aspetto tipico.

Fasi della mitosi

Fasi della mitosi:

La mitosi si divide in quattro fasi:

- PROFASE : La cromatina si condensa tanto che,al microscopio ottico, i cromosomi(con due cromatidi) sono ben visibili,diventando spiralizzati.La cellula assume una forma più tondeggiante, e le coppie di centrioli si separano con la formazione delle fibre polari,le fibre del cinetocore e dell’aster. Il nucleolo scompare e la membrana nucleare di frammenta,così i cromosomi non sono più divisi dal citoplasma. (la fase più lunga)

- METAFASE : Le coppie di cromatidi si muovono fino a disporsi in modo preciso sul piano equatoriale.

- ANAFASE : I due cromatidi di ogni coppia si separano e si allontanano verso i poli opposti,diventando un cromosoma indipendente. ( la fase più veloce)

- TELOFASE : I cromosomi raggiungono i poli e il fuso inizia a disperdersi.Avviene la formazione di membrane nucleari intorno ai due assetti cromosomici,e in ogni nucleo i cromosomi ritornano diffusi e ricompaiono i nucleoli. Spesso si forma un nuovo centriolo a fianco di quelli già esistenti

Solitamente è un processo che inizia durante la telofase e divide la cellula in due parti quasi uguali.

- CELLULA ANIMALE : All’inizio della telofase,la membrana cellulare si restringe in corrispondenza dell’equatore del fuso,fino a quando appare un solco che aumenta di profondità fino a ridursi a un sottile filamento(di actina) che poi si strozza,separando le due cellule figlie.

- CELLULA VEGETALE : Il citoplasma è diviso lungo la linea mediana da una serie di vescicole (prodotte dall’apparato di Golgi e contenenti polisaccaridi,come cellulosa),che poi si fondono tra loro formando la piastra cellulare e si uniscono alla membrana cellulare,dividendo le cellule figlie,le quali si costruiscono la parete cellulare. Le cellule figlie sono identiche per costituzione alla cellula madre,ma più piccole.

Riproduzione asessuata e mitosi

Negli organismi unicellulari,la riproduzione avviene tramite la mitosi,poiché le copie esatte dei cromosomi vengono trasmesse dalle cellule madri alle cellule figlie.

Un esempio sono gli anemoni di mare e le spugne,che possono dividersi generando nuovi organismi identici,oppure le piante che possono produrre radici dai quali si originano nuovi individui,oppure che possono perdere alcune parti di esse,che,cadendo al suolo,generano radici e poi nuovi individui,come i fichi d’india.

Questa riproduzione dovuta alla mitosi si chiama riproduzione asessuata,a volte chiamata riproduzione vegetativa,perché frequente nelle piante.

Invece,gli organismi pluricellulare producono nuove cellule per mezzo di mitosi e citodieresi,ma la maggior parte di essi si sviluppa a partire da una singola cellula (uovo fecondato) che si forma in seguito alla fusione di due cellule,lo spermatozoo e la cellula uovo.

Tumori e trattamenti

Un tumore maligno,o cancro,è prodotto da una crescita incontrollata e progressiva di cellule cancerose,che sono cellule anomale per forma,dimensioni e patrimonio generico;questo ammasso di cellule invade e distrugge i tessuti adiacenti.

I tumori sono benigni quando le cellule soggette alla crescita incontrollata sono normali e danneggiano solo l’organo in cui crescono,e possono essere rimossi chirurgicamente.

Se il tumore maligno non viene diagnosticato in tempo le cellule cancerose possono staccarsi dalla massa d’origine e raggiungere altri organi vitali tramite il sistema circolatorio,passando quindi a un secondo stadio del tumore,la metastasi.

Uno dei primi farmaci usati contro il cancro era la colchicina,estratta dal colchico,che ha la capacità di bloccare l’assemblaggio delle molecole di tubulina nella formazione del fuso,evitando la separazione dei cromosomi nell’anafase e quindi arrestando il processo mitotico alla metafase.

Ora,le terapie non invasive più frequenti sono la chemioterapia e la radioterapia.

La radioterapia consiste in una serie di radiazioni che uccidono il nucleo della cellula cancerosa,distruggendo però anche le cellule sane vicine.

La chemioterapia(cura mediante i farmaci) utilizza prodotti antimitotici(bloccano la mitosi) che bloccano la diffusione delle cellule cancerose.

Aploide e diploide:

Aploide e diploide

Il numero dei cromosomi di un una cellula può essere aploide o diploide:

- aploide n : corredo singolo (cioè ha metà cromosomi) nei gameti,ovvero le cellule sessuali

- diploide 2n : corredo doppio (cioè numero normale di cromosomi) nelle cellule somatiche,cioè del corpo

Le cellule che possiedono più di due corredi cromosomici sono dette poliploidi,più frequenti nelle piante.

Lo zigote (greco:coppia) è la cellula diploide prodotta dalla fusione di due gameti ( n+n=2n ).

In ogni cellula diploide per ciascun cromosoma ve n’è uno corrispondente (uno dal gamete di un genitore,uno dall’altro) e sono detti omologhi,perché si somigliano per forma,grandezza e informazioni ereditarie.

Nella meiosi il corredo diploide dei cromosomi si dimezza diventando aploide,passando al figlio solo un omologo della coppia.

Meiosi e ciclo vitale:

Meiosi e ciclo vitale

Il ciclo vitale dei protisti e dei funghi prevede che alla fecondazione che provoca la fusione di cellule differenti,segua la meiosi,la quale ripristina il numero aploide. (ciclo vitale trascorre allo stato aploide)

L’alternanza di generazioni è il tipico ciclo vitale delle piante,e deve il suo nome al susseguimento alternato di generazioni aploidi e diploidi delle piante,come muschi e felci. Oppure metà ciclo diploide,metà aploide.

Il ciclo vitale dell’uomo,come quello degli animali,prevede che la meiosi produca gameti aploidi appena prima della fecondazione,la quale poi ristabilisce il numero diploide dei cromosomi. (ciclo vitale allo stato diploide)

Interfase I : I cromosomi si duplicano in modo che all’inizio della meiosi ogni cromosoma sia costituito da due cromatidi identici uniti dal centromero.

Profase I (inizio) : I cromosomi duplicati omologhi si appaiano una volta avvenuto il contatto tra i due,che coinvolge 4 cromatidi;da qui il nome tetrade (insieme di quattro cromosomi omologhi). Poi si verifica il crossing over,in cui uno o più frammenti di cromatidi si scambiano con quelli del cromatidio omologo,che è il meccanismo di ricombinazione del materiale genetico proveniente dai due genitori.

Fasi della meiosi

La meiosi si divide in due fasi,la meiosi I (le coppie di cromosomi omologhi si appaiano e si separano) e la meiosi II ( i cromatidi di ogni omologo si separano ).

Si divide in quattro fasi,che possono essere seguite o meno dalla citodieresi.

PROFASE I : la cromatina si condensa,i cromatidi sono visibili,i microtubuli si irradiano verso i poli,e scompaiono il nucleolo e la membrana nucleare.I cromatidi si dispongono a coppie e avviene il crossing over

METAFASE I : coppie di omologhi si allineano sulla linea equatoriale ,le fibre si attaccano ai cinetocori

ANAFASE I : gli omologhi si separano,ma non si separano i cromatidi.

TELOFASE I : gli omologhi sono migrati ai poli opposti,e ogni gruppo di cromosomi contiene metà numero di cromosomi di partenza)

La meiosi II è uguale alla mitosi,ma non è preceduta dalla duplicazione del materiale cromosomico.

PROFASE II: i cromosomi si spiralizzano,la membrana nucleare sparisce e ricompaiono le fibre del fuso

METAFASE II: coppie di cromatidi di ogni nucleo si allineano verticalmente,i cromosomi sono condensati

ANAFASE II: i cromatidi fratelli si separano e migrano verso i poli

TELOFASE II: i microtubuli del fuso scompaiono,si forma la membrana nucleare intorno ad ogni nucleo

Segue la citodieresi,ogni nucleo ha un numero aploide di cromosomi ed è diverso dagli altri tre grazie al crossing over.

MITOSIPuò avere luogo sia in cellule aploidi che diploidi

MEIOSI Avviene solo in cellule diploidi o poliploidi

MITOSI Ha luogo mediante un’unica serie di divisioni

MEIOSI Si divide in meiosi I e meiosi II

MITOSI Le cellule che si formano hanno lo stesso numero di cromosomi della cellula madre

MEIOSI Le cellule che si formano non hanno lo stesso numero di cromosomi della cellula madre

MITOSI Non si ha un rimescolamento del patrimonio genetico

MEIOSI Si verificano nuove combinazioni cromosomiche in seguito al crossing over e alla distribuzione casuale dei cromosomi nella metafase

La meiosi avviene negli organi riproduttori: i testicoli nel maschio e le ovaie nella femmina.

Spermatogenesi e oogenesi

Spermatogenesi :Nel maschio le cellule diploidi che effettuano la meiosi sono dette spermatociti primari,che poi si divide due volte,prima dando origine a due spermatociti secondari,e poi dando origine a quattro spermatidi aploidi,i quali,una volta maturati e acquisito il flagello,diventano spermatozoi mobili. Questo processo avviene durante la pubertà in continuazione.

Oogenesi: Nella femmina le cellule diploidi che effettuano la meiosi sono dette oociti primari,che si dividono due volte,prima dando origine a un oocita secondario grande e a un corpuscolo polare piccolo (perché nell’oocita c’è più citoplasma),poi dando origine all’ovulo e a tre corpuscoli polari molto piccoli.

Questo processo ha tempi molto lunghi,inizia dal terzo mese dello sviluppo embrionale e termina solo alcune ore prima dell’ovulazione,cioè della fuoriuscita dell’oocita dall’ovaia.

Meiosi e riproduzione sessuata:

Meiosi e riproduzione sessuata

Gli organismi prodotti dalla riproduzione sessuata possono essere soggetti ad un alto potenziale di variabilità,che corrisponde a 2n ,dove 2 è il numero degli omologhi della coppia,e n è il numero cromosomico aploide. Questo,inoltre,non include le variazioni possibili causate dal crossing over.

Errori nel processo meiotico:

Errori nel processo meiotico

In tutte le coppie di cromosomi omologhi,tranne una,i cromosomi sono uguali nei maschi e nelle femmine,e vengono chiamati autosomi.

L’unica coppia di cromosomi diversa nei maschi e nelle femmine è la coppia dei cromosomi sessuali.

I cromosomi sessuali nelle femmine sono uguali ( cromosoma X ),mentre nell’uomo uno è grande come quello femminile mentre l’altro è più piccolo ( cromosoma Y ),e per questo contiene meno caratteri ereditari.

- A volte i cromosomi omologhi non si separano durante l’anafase I,oppure i cromatidi non si separano nella seconda divisione meiotica. Questo fenomeno si chiama non-disgiunzione.

Questo porta alla produzione di gameti con uno o più cromosomi in eccesso e altri con uno o più in difetto.

Con un cromosoma in difetto,a meno che sia sessuale,non è compatibile la vita.

Invece,con un cromosoma in eccesso è possibile,ma spesso avviene un aborto spontaneo;quando ciò non succede l’individuo è mentalmente ritardato,può risultare sterile e avere anomalie cardiache o ad altri organi.

- Altre volte l’anomalia può essere dovuta alla mancanza o alla presenza di una parte di cromosoma;durante il crossing over una parte del cromosoma può non essere sostituita o sostituita senza che ce ne fosse bisogno. Ciò può essere letale o portare anomalie fisiche e mentali a seconda della posizione del frammento e della sua grandezza. Questo fenomeno si chiama delezione cromosomica.