Appunti Biologia cellulare 22/03

IL CICLO CELLULARE

Quando si parla di ciclo cellulare eucariotico si parla di organismi unicellulari, in cui la divisine della cellula

porta alla generazione di un nuovo individuo, ma nella maggior parte dei casi si parla di organismi

pluricellulari in cui per avere un organismo che funziona bene avvengono tante divisioni cellulari nei diversi

che sono importanti per il mantenimento dell’omeostasi e per la sostituzione delle cellule

compartimenti

danneggiate. Quando si parla di ciclo cellulare e di vita di una cellula eucariote ci sono due eventi

assolutamente necessari; la duplicazione del genoma e la successiva ripartizione e segregazione di queste

copie tra le due cellule figlie. Quindi considerando un ciclo cellulare in tutti gli organismi queste due fasi sono

caratteristiche universali. Studiando i meccanismi di controllo del ciclo cellulare ci accorgeremo che questi

meccanismi di controllo che regolano la progressione tra le fasi del ciclo sono uguali tra tutti gli eucarioti, e

sono apparsi circa un miliardo di anni fa. Questo fa si che gli scienziati si siano potuti dedicare allo studio dei

meccanismi di regolazione del ciclo in modelli di studio più gestibili e semplici come i lieviti, in cui sono state

fatte scoperte importanti e che offrono dei vantaggi per lo

studio della comprensione di questi meccanismi. Quando si

parla di ciclo cellulare e replicazione del DNA si deve

considerare che la maggior parte delle cellule oltre a duplicare

il genoma deve duplicare anche organelli e macromolecole

per far sì che divisione dopo divisione le cellule figlie non

siano sempre più piccole; quindi prima di dividersi una

cellula deve anche crescere e vedremo che è questa crescita

cellulare, che è coordinata con la divisone cellulare, che è uno

dei parametri che la cellula controlla prima di procedere con

la divisione stessa. Nel ciclo cellulare degli eucarioti la fase

S, in cui si ha duplicazione del DNA, e la fase M, di divisone

vera e propria, rappresentano due fasi principali del ciclo.

Mentre la fase M nelle cellule di mammifero dura meno di un’ora, la fase S occupa quasi la metà del ciclo, e

diverse ore. Il passaggio tra una fase e l’altra del

quindi ciclo deve essere finemente regolato per essere sicuri

di garantire che le cellule figlie ereditino un genoma ben replicato, intatto e integro e che sia equamente

in cui c’è la

ripartito tra le cellule figlie. La fase S, dove avviene la sintesi del DNA, che precede la fase M,

nell’interfase del ciclo cellulare

partizione, si trova preceduta e seguita da fasi GAP, cioè fasi di intervallo.

Sono fasi attive dal punto di vista metabolico e biosintetico e sono fasi importanti per gli eventi di controllo

all’altra, infatti in queste fasi esistono

che regolano il passaggio da una fase dei check points in cui la cellula si

ferma, analizza ciò che è successo prima, ciò che doveva succedere ecc, e poi entra nella fase successiva da

indietro. All’interfase si contrappone

cui non si torna una breve fase che è la M e prevede degli eventi che

riguardano solo la ripartizione del materiale nucleare (divisa a sua volta in profase, prometafase, metafase,

anafase e telofase), e una divisone cellulare che inizia quando ancora la mitosi non è terminata, e prende il

nome di citodieresi. Questa fase M rispetto

all’interfase e la fase S è breve, in meno di

un’ora le cellule dei mammiferi la

terminano. Nella profase si assiste ad una

profonda condensazione della cromatina,

perché tanto non ci sono espressioni di geni

in queste fasi, e poi scompaiono i nucleoli,

così si possono avere molecole compatte e

facilmente ripartibili. Nel caso della profase

poi si assiste alla formazione del fuso

mitotico in cui i cromosomi vengono

coinvolti e attaccati in una rete di proteine che sarà responsabile della ripartizione delle due copie del genoma

tra le cellule figlie. Oltre questi eventi, in tarda profase le due coppie di centrosomi iniziano a separarsi, il

centriolo è circondato da un materiale amorfo che contiene anche la gamma tubulina e comincia ad

assemblarsi il fuso mitotico costituito da microtubuli. Una volta assemblato il fuso è costituito da 3 tipi di

fibre; dalla coppia di centrioli dipartono delle fibre del fuso che vanno verso la membrana plasmatica che sono

lunghe e stabile, sono le fibre dell’aster caratterizzate da una particolare

diverse dalle altre che sono più

instabilità e si ancorano alla membrana favorendo la stabilità del fuso. Una volta che il fuso è assemblato si

identificano delle fibre che agganciano a livello del centromero il cromatidio, però ce ne sono altre che non

l’estremità

agganciano il cromatidio ma sono fibre più lunghe (microtubuli polari) che si sovrappongono con

positiva di microtubuli polari provenienti dal polo opposto e in anafase infatti sono importanti perché

scorrendo in queste zone sovrapposte per ulteriore sovrapposizione di tubulina aiutano la divisone cellulare.

Quindi in profase in aggiunta alla condensazione della cromatina, la scomparsa dei nucleoli e la disgregazione

nucleare, abbiamo anche

dell’involucro la formazione del fuso mitotico a partire dai centrosomi che

che c’è un

contengono una coppia di centrioli perpendicolari che si sono duplicati in interfase. Vedremo

enzima particolare importantissimo nel ciclo cellulare che catalizza delle reazioni essenziali per questi eventi.

Grazie ai microtubuli del cinetocore che hanno agganciato bene i cromosomi, questi cromatidi si dispongono

del fuso sulla piastra

all’equatore metafasica, e siamo in fase di metafase che è una fase in realtà dinamica

dovuta alle forze contrapposte dai poli. Dopo una verifica di vari parametri si entra in anafase in cui sia grazie

all’allungamento polari, che grazie all’accorciamento dei microtubuli

dei microtubuli che agganciano i

c’è la

cromosomi, avviene la separazione dei cromatidi che raggiungono il rispettivo polo del fuso. Poi

telofase in cui al contrario si verificano gli eventi che si erano verificati in profase; decondensazione della

ricompare l’involucro

cromatina, nucleare, si riformano i nucleoli e il fuso si disgrega. La citocinesi inizia

quando ancora la telofase non è terminata, e ciò che rimane dei microtubuli del fuso è ciò che guida il punto in

cui si andrà a formare un solco di divisone (formato da actina e miosina) che si contrare come fosse un anello

contrattile, dividendo la cellula madre in due cellule figlie. In presenza di una parete cellulare come nelle

vegetali il meccanismo non prevede un anello contrattile acto-miosinico ma la formazione di un setto nella

cellula madre grazie alla fusione di vescicole che contengono polisaccaridi provenienti dal Golgi, e la fusione

di queste forma un setto che divide la cellula.

Questo avviene nel caso della divisone mitotica, ma nelle cellule della

linea germinale negli individui che si riproducono sessualmente, avviene

una speciale divisione, che è la meiosi, in cui avviene un dimezzamento

del numero di cromosomi che è importante per la successiva riproduzione

quando le cellule dei gameti si incontreranno e quindi la divisione meiotica

un dimezzamento dell’assetto cromosomico

che ha permesso permette poi,

di ristabilire l’assetto cromosomico

con la formazione dello zigote, tipico

del tipo cellulare. Questo dimezzamento avviene perché le cellule hanno

un assetto diploide, cioè ciascun cromosoma è presente in duplice copia,

quindi queste cellule hanno coppie di cromosomi detti omologhi. Quando

una cellula dimezza il numero di cromosomi e queste coppie di cromosomi

omologhi vengono separate, allora si parla di cellula aploide che risulta

dalla meiosi, e lo sono i gameti che poi si fondono e formano lo zigote che

c’è prima

è di nuovo diploide. Quando si parla di meiosi, come la mitosi,

una interfase con replicazione del DNA, ma poi ci sono due divisioni

cellulari, la meiosi 1 e la meiosi 2 (ciascuna è divisa in profase, metafase,

anafase e telofase). La prima è interessante e la sua profase è chiamata 1,

come le altre fasi, ed è complessa e lunga perché in aggiunta agli eventi

divide in 5 sottofasi e qui si verifica l’appaiamento dei

detti anche prima, qui avviene anche altro, si

cromosomi omologhi che formano la bivalente o sinapsi grazie a sequenze complementari, e avviene il

crossing over che prevede lo scambio di tratti di DNA tra cromatidi non fratelli di cromosomi omologhi (è un

meccanismo cruciale nella formazione di variabilità genetica). Nella metafase 1, a differenza di quella

mitotica, non abbiamo ciascun cromosoma agganciato a fibre che vengono dai poli opposti del fuso, ma

abbiamo i cromosomi interi omologhi agganciati perché i due cromatidi fratelli qui non vengono separati,

omologhi. Qui quindi non viene degradato all’inizio il

infatti in questa anafase 1 si separano i cromosomi

punto che tiene insieme i cromatidi fratelli di un cromosoma, questo avviene solo nella seconda divisione

meiotica. Alla anafase 1 segue la telofase e poi la citocinesi, e dopo un breve intervallo inizia la seconda

divisone meiotica che in realtà è come una mitosi; i cromosomi formati da due cromatidi fratelli in ciascuna

delle cellule figlie ottenute si separano con il verificarsi di eventi simili alla mitosi, quindi da due aploidi si

giunge a 4 aploidi. Si parte da una condizione diploide e si passa ad un assetto aploide che però viene

raggiunto già nella prima divisione meiotica, quindi già le due cellule figlie iniziali sono aploidi, e da qui ne

otterremo altre aploidi (la prima divisione meiotica è chiamata riduzionale, la seconda equazionale perché si

mantiene l’aploidia). L’interfase, che rappresenta la maggior parte della vita di una cellula (di cui fa parte la

fase S), comprende due fasi GAP, la G1 e la G2, che sono intervalli importanti perché sono fasi attive e perché

sono fasi in cui si verificano i controlli. A seconda dei tipi cellulari osserviamo comportamenti diversi in

merito alla progressione in ciclo perché se pensiamo alle cellule staminali queste hanno capacita di

autorinnovarsi quindi possiedono una illimitata capacità proliferativa, di contro sappiamo che i neuroni ad

esempio sono cellule post mitotiche, cioè così specializzate che una volta concluso il processo di

differenziamento non proliferano più, è come se perdessero la capacità di procedere dalla G1 alla S e così via,

tanto che vivono per molto tempo uscendo dal ciclo e vivendo nella fase G0 che è una non divisone

specializzata. Poi ci sono cellule come gli epatociti del fegato che in condizioni fisiologiche non sono

proliferanti, vivono un po’ come in G0 per i neuroni