Biologia animale

BIOTECNOLOGIE

Lezione 3-4

Tutte le cellule si originano dalla divisione delle cellule preesistenti. Quando una cellula si divide, il DNA deve essere interamente duplicato e le copie sono trasmesse alle cellule figlie attraverso una serie precisa di eventi. Il DNA di un individuo è organizzato in unità di informazioni chiamate geni (un organismo può possedere migliaia di geni), che controllano le attività della cellula e sono trasmessi alla progenie; inoltre controllano/influenzano le caratteristiche dell'organismo.

I cromosomi sono i principali portatori dell'informazione genetica negli eucarioti. I cromosomi sono composti da cromatina. I cromosomi di specie diverse differiscono nel numero e nel contenuto informazionale. Tuttavia non è il numero di cromosomi ciò che rende ogni specie unica, ma bensì l'informazione specificata dai singoli geni nei cromosomi. Inoltre il numero di cromosomi non è indice

dalla fase di interfase, in cui la cellula si prepara per la divisione. Durante l'interfase, la cellula cresce, duplica il suo DNA e si prepara per la divisione. Durante la mitosi, il DNA duplicato si condensa in cromosomi visibili al microscopio. I cromosomi si allineano al centro della cellula e vengono separati in due gruppi identici. Infine, la cellula si divide in due cellule figlie, ognuna contenente una copia identica del DNA originale. →LA MEIOSI È un processo di divisione cellulare che avviene nelle cellule sessuali (gameti) e porta alla formazione di cellule figlie con metà del numero di cromosomi della cellula madre. Questo processo è essenziale per la riproduzione sessuale e contribuisce alla variabilità genetica. Durante la meiosi, la cellula madre subisce due divisioni successive, chiamate meiosi I e meiosi II. Queste divisioni producono quattro cellule figlie, ognuna con metà del numero di cromosomi della cellula madre. Queste cellule figlie sono gli ovuli nelle donne e gli spermatozoi negli uomini. In conclusione, la divisione cellulare è un processo fondamentale per la crescita, lo sviluppo e la riproduzione degli organismi. La mitosi assicura che le cellule figlie abbiano lo stesso numero di cromosomi della cellula madre, mentre la meiosi contribuisce alla variabilità genetica.

Da una fase di relativo riposo detta interfase durante la quale avvengono una serie di processi preparatori senza i quali la mitosi non potrebbe attuarsi; qui non avviene la divisione cellulare. La vera fase di divisione cellulare è quella della mitosi. L'interfase si divide appunto in tre fasi distinte:

• G1: Intercorre tra M e S. Non si ha sintesi di DNA. Avviene la crescita e il metabolismo. È la fase più lunga. Le cellule che non si dividono restano in questa fase (G0). Al termine della fase G1 si incrementa la sintesi di enzimi indispensabili per la sintesi di DNA. In questa fase vengono sintetizzati RNA transfer, ribosomi, RNA messaggeri e numerosi enzimi (DNA polimerasi) importanti per la successiva duplicazione del DNA.
• S: Avviene la replicazione del DNA e la sintesi degli istoni per la duplicazione dei cromosomi.
• G2: Aumento sintesi proteica che precede la divisione cellulare. La durata della fase G2 è più breve rispetto a G1 e S.

Qui vengono prodotte importanti proteine strutturali, come quelle dei microtubuli che formano il fuso mitotico, cioè la struttura responsabile della separazione dei cromosomi durante la mitosi. Dopo l'interfase si ha la mitosi che coinvolge due principali processi: la mitosi, cioè la divisione nucleare che produce due nuclei identici a quello della cellula madre, inizia a termine della G2 e la citocinesi che inizia prima del termine della mitosi, è la divisione del citoplasma per formare due cellule. La mitosi è suddivisa in 5 fasi: - Profase: I filamenti di DNA già duplicati si arrotolano a spirale e diventano visibili al microscopio ottico come cromosomi. Qui appunto i cromosomi diventano più visibili, il DNA si duplica e i cromosomi sono composti di due parti perfettamente identiche, dette cromatidi fratelli, unite tra loro in un solo punto, il centromero. In questa fase scompare la membrana nucleare. Per la successiva separazione dei cromosomi

Ha molta importanza la formazione del fuso mitotico: due organelli chiamati centrioli e situati vicino al nucleo, dopo esserci duplicati cominciano a separarsi dirigendosi verso i poli opposti della cellula. Essi restano tuttavia collegati da sottili fibre proteiche che come i fili di una ragnatela si allungano man mano che i centrioli si allontanano. Quando i centrioli hanno raggiunto i poli opposti della cellula sono ancora collegati da questi filamenti che formano il fuso mitotico largo al centro e sottile alle estremità.

• Prometafase: L'involucro nucleare si frammenta e i microtubuli vengono in contatto con i cromosomi. Se un microtubulo si avvicina ad un centromero viene catturato da uno dei cinetocori del cromosoma duplicato. I cromosomi iniziano a muoversi verso il piano equatoriale della cellula.
• Metafase: Tutti i cromosomi della cellula si allineano lungo il piano equatoriale della cellula e le fibre del fuso si collegano al centromero di ogni cromosoma.

cromosoma. Ogni cromosoma è collegato a due fibre del fuso: una che proviene da un polo e una dal polo opposto della cellula. Durante la metafase ogni cromatidio è totalmente condensato. In questa fase è possibile determinare il cariotipo (composizione cromosomica) per valutare la presenza di anomalie cromosomiche.

• Anafase: le fibre del fuso tirano verso i due poli i cromosomi e i due cromatidi di cui è composto ogni cromosoma si separano e si allontanano tra di loro dirigendosi verso i poli opposti, così in ogni polo è presente un patrimonio genetico completo ed identico all'altro. I cromosomi disgiunti migrano ai poli opposti utilizzando i microtubuli del fuso come binari. L'anafase termina quando tutti i cromosomi hanno raggiunto i poli.
• Telofase: Qui scompare il fuso mitotico e compaiono le due membrane nucleari che separano i due nuovi nuclei. I cromosomi si "srotolano" e non sono più visibili. I cromosomi

arrivano a poli e vi è un ritorno ad una condizione simile aquella di interfase. I cromosomi si decondensano despiralizzandosi. Attorno adogni serie di cromosomi si sviluppa un involucro nucleare, costituito almeno inparte da piccole vescicole e da altri componenti derivati dal vecchio involucronucleare. I microtubuli scompaiono. I nucleoli diventano visibili. Dopo la mitosi si ha la citocinesi: Divisione del citoplasma per produrre due cellule figlie, è l’ultimo stadiodella fase M e normalmente si sovrappone in parte alla mitosi, cominciando durante la telofase. La citocinesiinizia con la formazione di un anello di acto-miosina contrattile che circonda lacellula perpendicolarmente al fuso. La contrazione dell’anello produce un solcodi divisione che gradualmente diviene più profondo e separa il citoplasma indue cellule figlie, ciascuno con un nucleo completo. Al termine della mitosiognuno dei nuclei figli riceve lo stesso numero e lo stesso tipo di

Le cellule procariotiche possiedono una costituzione genetica caratterizzata da un singolo cromosoma circolare impacchettato con proteine associate. Durante la divisione cellulare, la cellula madre si divide in due cellule figlie che sono geneticamente identiche alla cellula madre. I procarioti si riproducono in modo asessuato, principalmente attraverso la scissione binaria. Durante questo processo, avviene la replicazione del DNA, che porta alla formazione di due cromosomi identici. In condizioni normali, le divisioni cellulari possono avvenire ogni 20 minuti.

Il ciclo cellulare prevede dei punti di controllo, che sono regolati da molecole regolatrici. La lunghezza dei cicli cellulari negli eucarioti varia notevolmente a seconda del tessuto e delle fasi di vita/sviluppo. Esistono meccanismi di controllo nel programma di regolazione genetica, chiamati punti di controllo del ciclo cellulare.

Questi bloccano temporaneamente l'inizio di eventi chiave del ciclo cellulare prima che tutti i processi di una determinata fase siano correttamente terminati. Ci sono 4 principali complessi di molecole che fungono da controllo:

• La G1-Cdk prepara la cellula a passare da G1 a S.
• La G1/S-Cdk prepara la cellula ad iniziare la replicazione del DNA.
• La S-Cdk avvia la replicazione del DNA.
• La M-Cdk promuove la mitosi e la formazione del complesso che promuove l'anafase.

LA MEIOSI (la meiosi avviene solo nelle cellule sessuali, mentre la mitosi per tutte le cellule tranne quelle sessuali). Divisione cellulare che dimezza il numero di cromosomi. Avviene solo nelle cellule germinali. Si ha una sola replicazione del DNA seguita da due divisioni cellulari. Si avranno poi 4 cellule figlie tutte geneticamente diverse. Ognuna delle quattro cellule prodotte dalla meiosi contiene un numero aploide di cromosomi = 1 membro di ogni coppia di omologhi. Durante la meiosi

l’informazione genetica che proviene da entrambi i genitori viene mescolata, ogni cellula aploide possiede una combinazione di geni potenzialmente unica. La meiosi consiste di due divisioni nucleari e citoplasmatiche (meiosi I & meiosi II), ognuna delle quali include una profase, una metafase, un’anafase e una telofase.

• MEIOSI I: Cromosomi omologhi si uniscono e poi si separano e vengono distribuiti in nuclei distinti.
• PROFASE I: durante l’interfase i cromosomi si duplicano come nella mitosi (cromatidi fratelli). I cromosomi omologhi si appaiono (sinapsi). Ne risulta un complesso (tetrade). Nell’uomo in questo stadio (2n=46) ci sono 92 cromatidi. Tra gli omologhi appaiati si forma il complesso sinaptonemale, una struttura fondamentale per il crossing-over cromosomico. Nel crossing-over i cromosomi omologhi appaiati si scambiano materiale genetico attraverso l’azione di enzimi che tagliano e riuniscono le molecole di DNA. Grazie al crossing-over si

producono nuove combinazioni di geni e la ricombinazione genetica che ne risulta aumenta la variabilità genetica. Oltre a questo si forma il fuso, scompare l'involucro nucleare. I cromosomi omologhi rimangono uniti in prossimità di regioni chiamate chiasmi.

METAFASE I: Quando le tetradi si allineano sul piano equatoriale termina la profase I e si dice che la cellula è in metafase I. I cromatidi fratelli di un cromosoma sono connessi mediante le fibre del fuso ad uno dei due poli, quelli del cromosoma omologo sono collegati all'altro polo.

ANAFASE I: i cromosomi omologhi si separano e migrano verso poli opposti. Ogni polo riceve un assortimento casuale di cromosomi materni e paterni ma un solo rappresentante di ogni coppia di omologhi è presente ad ogni polo.

TELOFASE I: i cromosomi si decondensano, avviene la citodieresi. Il nucleo contiene il numero aploide di cromosomi ma ognuno è duplicato (cromatidi fratelli).

MEIOSI II: i cromatidi

fratelli che costituiscono ciascun