Ciclo cellulare, divisione cellulare e compatimenti intracellulari

Ciclo cellulare e mitosi

Come si organizza la vita della cellula? Come si riproduce?

La mitosi è solo una piccola parte dell’intera vita cellulare, indicata con il nome di ciclo cellulare.

Con ciclo cellulare si indica quell’insieme di eventi ordinati ed altamente controllati che porta alla divisione e corretta proliferazione delle cellule eucariotiche, con la sola eccezione delle cellule perenni, quali i neuroni e le cellule muscolari, che in condizioni normali non si moltiplicano mai.

Ogni cellula va incontro a modificazioni che le permettono di dividersi in due cellule figlie, ognuna delle quali va incontro allo stesso destino entrando nel ciclo cellulare.

Il ciclo cellulare può essere suddiviso in tre fasi differenti, interfase, mitosi o meiosi, citodieresi, durante le quali la cellula cresce di dimensioni modificando in modo appropriato i propri organuli ed il proprio genoma, monitora l’integrità del genoma, replica il DNA, si riproduce e separa fisicamente in due parti il citoplasma.

La durata del ciclo cellulare è differente a seconda della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita.

Durata del ciclo cellulare

La durata del ciclo cellulare è molto variabile.

• Cellule embrionali: 12h, in quelle precoci [zigoti] manca infatti la fase di accrescimento.
• Cellule “normali”: circa 24h.
• Cellule differenziate: non si dividono più, si bloccano in una forma quiescente, chiamata fase G0.

Interfase

Interfase: l’interfase è quel periodo che separa una mitosi dall’altra. Si suddivide a sua volta in varie fasi.

• Dall’inglese “gap” (intervallo). Essa è caratterizzata da eventi genomici precoci che condizionano le cellule ad entrare in fase di divisione o, al contrario, ad arrestarsi ed andare incontro a morte cellulare programmata (apoptosi), e da eventi genomici tardivi che preparano le cellule a terminare il percorso durante questa fase e ad entrare nella successiva fase S, in fase di replicazione del DNA. In questa fase, infatti, avviene la trascrizione del DNA in RNA messaggero per la sintesi delle proteine.

La durata della fase G1 varia a seconda del cariotipo, e condiziona anche la durata dell’intero ciclo cellulare. Le altre fasi, infatti, hanno durata pressoché simile in tutte le cellule labili, es: cellule epiteliali, la fase G1 ha durata media di 15-20 ore, mentre in quelle che si riproducono occasionalmente cioè le cellule stabili, es: gli epatociti, ha una durata molto più lunga.

Durata media 8-10h.

• S da sintesi, che ha la durata media di 6-8 ore ed è una fase di preparazione alla divisione cellulare. È infatti indispensabile per far sì che il corredo cromosomico venga ugualmente distribuito tra le due cellule figlie. In questa fase la cellula replica il suo DNA sotto il controllo di enzimi sintetizzati nella fase G1. Il numero di cromosomi raddoppia e la cellula passa dall’avere un aspetto diploide all’avere un aspetto tetraploide.

Durata media 6-8h.

• In questo periodo successivo alla fase di sintesi, vengono sintetizzate gran parte delle strutture microtubulari che formano l’apparato mitotico, e molte componenti di membrana funzionali per la divisione della cellula in due cellule figlie identiche.

Durata media: 4-6h.

• Lo stadio G0 corrisponde ad uno stadio di quiescenza. È interpretabile come una forma alternativa della fase G1. In alcuni casi il ciclo cellulare si arresta nella fase G1, senza che ci sia la duplicazione del materiale genetico. È il caso delle cellule che ricevono uno stimolo antiproliferativo ed entrano in questo stato prolungato di non divisione chiamata fase G0. In caso di stimoli specifici provenienti dall’esterno, queste possono rientrare nel ciclo cellulare e dividersi, ad esempio per sostituire cellule perdute per morte cellulare accidentale o a causa di una lesione del tessuto. In altri casi, possono arrestarsi in G0 e svolgere una funzione specifica irreversibilmente. È il caso, ad esempio, dei neuroni e delle cellule muscolari, che fanno parte dei tessuti perenni. Allo stesso modo, molte cellule, dopo una serie di cicli vitali, cessano di riprodursi ed entrano in una fase di quiescenza, simile alla fase G0, che le porterà a senescenza e morte cellulare.

Nelle diverse fasi del ciclo cellulare la quantità di DNA varia, da 2C a 4C, così come varia la ploidia della cellula, da 2n a 4n.

La fase di duplicazione sarebbe molto più lunga se non avvenisse nel modo corretto, che prevede la replicazione in diverse bolle, cioè la formazione di molteplici forcelle di replicazione. Ciascun cromosoma eucariotico contiene diverse migliaia di repliconi.

La fase successiva del ciclo cellulare è la mitosi.

Mitosi o fase M

Mitosi (o fase M): la mitosi (o fase M) è successiva all’intera interfase e si divide anch’essa in stadi. Comprende profase, pro-metafase, metafase, anafase, telofase e citodieresi. La citodieresi, spesso considerata come una fase della mitosi, accoppiata alla telofase, può essere interpretata anche come una fase a sé stante del ciclo cellulare.

La mitosi è una modalità di riproduzione asessuata, tipica delle cellule somatiche e delle cellule germinali non ancora differenziate, che precede la formazione di due cellule figlie aventi corredo genetico identico tra loro, nonché uguale a quello della cellula madre. Nei mammiferi si compie tra le 18 e le 24 ore e, complessivamente, fa parte del normale ciclo di vita della cellula, durante il quale svolge tutte le sue funzioni vitali e si riproduce prima di andare incontro a morte.

Con il termine “interfase” si indica il periodo di sviluppo e accrescimento cellulare che separa due divisioni mitotiche. Indica, quindi, tutto il tempo in cui la cellula non è in mitosi. L’interfase è divisa in tre fasi: G1, S, G2.

• Fase G1, durante cui la cellula, appena generatasi dalla mitosi precedente, va incontro ad un’intensa attività biochimica e di sintesi proteica, utili al suo sviluppo e accrescimento, sia nelle dimensioni, sia negli organelli che la compongono, indispensabili per espletare tutte le sue funzioni.
• Fase S, in cui la cellula si predispone alla mitosi e duplica il proprio DNA, al fine di replicare successivamente i cromosomi; questa fase non avviene in tutte le cellule, bensì solo in quelle destinate a replicarsi e quindi ad andare incontro a, in questo caso, mitosi. Nel caso in cui si trattasse di cellule che non vanno incontro a riproduzione, come quelle nervose, la fase S non avverrebbe e la fase G1 prenderebbe il nome convenzionale di fase G0.
• Fase G2, durante cui la cellula organizza il proprio assetto in vista dell’ormai imminente mitosi: i centrioli si duplicano e si dispongono ai margini della membrana nucleare, inizia la formazione del fuso mitotico e la cromatina spiralizza in cromosomi.

La durata totale dell’interfase coincide con gran parte della vita della cellula e dipende perlopiù dalla fase G1, il cui decorso varia in base alla natura della cellula in questione.

Concluso il periodo di interfase, la cellula è ormai pronta in tutte le sue componenti ad andare incontro a mitosi, un processo ordinato e diviso in cinque fasi ben distinte e facilmente riconoscibili tramite osservazioni al microscopio.

Profase

• Profase; la profase inizia quando la cellula ha terminato di replicare il proprio DNA e di duplicare il centrosoma. [I centrioli sono strutture cellulari di forma tubulare presenti nella maggior parte degli eucarioti. La loro funzione principale è di formare delle strutture stabili che fungono da sito di aggregazione per gli altri elementi del citoscheletro che sono per loro natura instabili. Sono costituiti da nove triplette di microtubuli disposti a raggiera, che insieme formano un cilindro cavo. All’interno di ogni cellula si trovano solitamente in numero di 2, uniti tra loro e disposti perpendicolarmente l’uno all’altro. Sono tenuti insieme dal materiale pericentriolare, matrice proteica amorfa. L’intera struttura prende il nome di centrosoma e funge da centro di organizzazione dei microtubuli, facendo da fondamenta per la polimerizzazione dei microtubuli e l’organizzazione spaziale della cellula. Durante la divisione il centrosoma si divide nei due centrioli che lo costituiscono i quali migrano ai poli opposti della cellula per costituire il fuso mitotico. Successivamente accanto al centriolo madre viene assemblato il secondo centriolo detto “figlio”. Il centrosoma è una regione della cellula animale, considerata alla stregua di un organulo cellulare, seppur non delimitato da membrane, coinvolto presumibilmente nella realizzazione del fuso mitotico e quindi della segregazione dei cromosomi durante la replicazione cellulare. La natura e l’origine dei centrosomi sono centro di dibattito così come lo è la funzione di queste strutture. Durante l’interfase è unico, contenente i due centrioli disposti perpendicolarmente l’uno all’altro, intorno ai quali è dispersa una gran quantità di dimeri di tubulina. La porzione di protoplasma associata al centrosoma, che contiene centrioli e tubuli dispersi è definita centroplasma. L’individuazione del centriolo che permette la definizione del centrosoma può essere realizzata mediante microscopio ottico o elettronico. Al microscopio ottico i centrioli appaiono come piccoli punti scuri nelle vicinanze del nucleo, mentre al microscopio elettronico è possibile individuarne la struttura, formata da nove triplette di microtubuli. I microtubuli sono polari e l’interazione dei centrioli con il centrosoma avviene per mezzo della loro porzione carica negativamente.]

A questo punto, la membrana nucleare va frammentandosi e i cromosomi spiralizzano. Ognuno di questi è formato da dei cromatidi fratelli, tenuti insieme da un centromero e caratterizzati dalla presenza di un cinetocore [Il cinetocore è una struttura proteica componente del centromero. Di solito per ogni centromero vi sono due cinetocori, un cinetocore per ogni cromatidio. Il ruolo dei cinetocori è quello di agganciarsi ai microtubuli del fuso mitotico durante la divisione cellulare. In questo modo i cromosomi vengono allineati correttamente all'equatore del fuso, e successivamente grazie alla trazione dei microtubuli, che si accorciano depolimerizzandosi nella zona vicino al centriolo, i cromatidi fratelli vengono separati e trascinati ai due poli opposti della cellula], che gli permetterà di muoversi lungo il fuso mitotico, formato perlopiù da microtubuli.

Prometafase

• Prometafase; durante la prometafase, la membrana nucleare si dissolve totalmente per mezzo di una fosforilazione e i cromosomi si legano ai microtubuli del fuso mitotico per mezzo dei cinetocori; a questo punto, i cromosomi iniziano a spostarsi verso l’“equatore” della cellula.

Metafase

• Metafase; durante la metafase, i cromosomi sono posti ordinatamente lungo l’equatore della cellula in fase di riproduzione e vanno a formare la “piastra metafasica”.

Anafase

• Anafase; con l’anafase, i cromatidi fratelli si dividono per mezzo dell’enzima separasi e formano quelli che vengono definiti “cromosomi figli”; quest’ultimi, attraverso le fibre del fuso mitotico, migreranno verso i poli opposti della cellula, la quale avrà iniziato ad allargarsi.

L’anafase viene divisa in due momenti, anafase A e anafase B. Nell’anafase A i cromosomi si muovono verso i poli per depolimerizzare dei MT del cinetocore. Nell’anafase B i poli opposti del fuso si separano per allungamento e scorrimento dei MT polari nelle zone di sovrapposizione, aiutati dai MT astrali che, agganciati alla membrana plasmatica, si accorciano.

Telofase

• Telofase; la telofase è la quinta ed ultima fase della mitosi, durante cui i cromosomi figli decondensano e riformano la cromatina; attorno a loro, il fuso mitotico si dissolve, mentre si formano le nuove membrane nucleari e i nuovi nucleoli. Allo stesso tempo, al centro della cellula madre, si inizia a contrarre un anello di actina che permetterà la successiva sottofase detta “citodieresi”.

Citodieresi

Citodieresi; è bene sottolineare che con il termine “mitosi” si indica solo il processo di divisione del nucleo, fino alla telofase, e non di divisione della cellula madre nelle sue due cellule figlie.

Successivamente alla telofase, infatti, avviene il processo della citodieresi, che porta alla scissione del citoplasma in due modi possibili:

• Nelle cellule animali, per mezzo di un anello proteico contrattile, costituito da actina e miosina, le quali, interagendo tra loro, portano ad una invaginazione della cellula madre, fino alla scissione e formazione delle cellule figlie.
• Nelle cellule vegetali, provviste di parete cellulare, delle vescicole, prodotte dall’apparato di Golgi, si aggregano al centro della cellula madre, formando una “lamella mediana” o “piastra cellulare”. Questa tenderà ad allargarsi verso l’esterno della cellula e arriverà a congiungersi con la membrana e la parete della cellula madre, formando definitivamente le due cellule figlie finali.

Stadi della mitosi al microscopio

• Profase.
• Prometafase.
• Metafase.
• Anafase A.
• Anafase B.
• Telofase.

Nella profase strutture tubulari che in metafase e anafase vanno a costituire il fuso mitotico. 3 tipi di microtubuli che cooperano tra di loro per posizionare i cromosomi.

Anafase A: si accorciano i microtubuli del cinetocore, per separare gli omologhi.

Anafase B: si allunga il fuso per allungamento dei microtubuli e si strozza al centro.

Immagini degli stadi della mitosi al microscopio ottico: in rosso si evidenziano le strutture tubulari che vanno a formare poi il fuso mitotico, strutture microtubulari.

Fuso mitotico: struttura di fondamentale importanza poiché i tre tipi di microtubuli che lo compongono, quelli del cinetocore, quelli astrali e quelli polari, cooperano tra di loro affinché il corredo diploide di cromosomi si divida in maniera uguale. I microtubuli del fuso guidano i cromatidi fratelli verso i poli opposti della cellula durante l’anafase.

Microscopia ottica, in campo chiaro, si usa il microscopio a interferenza di fase. Si distinguono anafase A e B.

Durante l’anafase A: si accorciano i microtubuli del cinetocore e questo accorciamento, poiché nel frattempo è stata degradata la proteina che teneva ancorati i cromosomi fratelli che vengono ora portati lontano l’uno dall’altro.

Durante l’anafase B: i microtubuli polari si allungano portando le due masse di cromosomi il più lontano possibile l’una dall’altra, compatibilmente con la cellula, che diventa di forma ellittica, ed inizia a strozzarsi al centro. L’allungamento del fuso ha un significato, quindi, molto importante per la corretta ripartizione del corredo cromosomico.

Quando avviene una mitosi, è importante il piano di divisione cellulare, in particolare, nel nostro organismo, in quei tessuti che contengono cellule staminali, cioè le cellule in grado di rigenerare quel dato tessuto.

Cellule staminali

Definizione di cellule staminali: le cellule staminali sono cellule indifferenziate progenitrici di altre cellule, il che significa che da una cellula staminale, non differenziata, si originano altre cellule, differenziate, ognuna delle quali avrà un compito specifico.

Esempio: la cellula staminale ematopoietica, dal greco emo= sangue e poiesis= processo, dà origine a tutti gli elementi corpuscolati, o figurati, del sangue come gli eritrociti, globuli rossi, i leucociti, globuli bianchi, le piastrine e gli elementi del sistema immunitario, granulociti eosinofili, basofili, neutrofili.

In linea generale questo processo di differenziazione avviene nel midollo osseo rosso. Le cellule staminali possono essere classificate in cellule staminali totipotenti, unipotenti, pluripotenti e multipotenti.

• Cellule staminali totipotenti: sono in grado di originare l’intero organismo perché capaci di generare tutte le linee cellulari che andranno poi a costituire il nuovo individuo a 360°.
• Cellule staminali multipotenti: sono in grado di dare origine a diverse linee cellulari di un tessuto.
• Cellule staminali unipotenti: danno origine ad un solo tipo di linea cellulare. Ad esempio, la cellula staminale epidermica dà origine soltanto ai cheratinociti dello strato più superficiale della cute.

Divisione cellulare e distribuzione delle molecole

Durante la divisione cellulare posso avere due situazioni: parto da una cellula, si forma il fuso, il nucleo scompare, i cromosomi si ancorano al fuso le cui fibre convergono verso il centro. Eventuali molecole, soprattutto proteiche, presenti nel citoplasma della cellula, sulla base del modo in cui si dispone il piano di divisione, andranno (A) a finire o in una sola delle due cellule figlie o si andranno a (B) distribuire uniformemente nelle cellule figlie.

Questo comporta una sostanziale differenza, poiché se quelle proteine sono coinvolte nel processo di differenziamento piuttosto che nel mantenimento della staminale, nel caso A ho una divisione che mi dà una cellula uguale a quella di partenza e l’altra che, mancando di queste proteine, può intraprendere un nuovo percorso, nel caso B due molecole molto simili a quella iniziale, a meno della quantità delle molecole proteiche in questione, che possono essere comunque sintetizzate dalla cellula stessa. La loro presenza, seppur in quantità dimezzata, garantis