Riassunto esame Biologia applicata, prof. Scalia, libro consigliato e Genetica, De Leo

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all’interno della cellula finchè non stimolati da un evento avverso che degradi le

proteine di repressione, per cui i fagi entrano in ciclo litico per la propria riproduzione.

!

Sono diverse infine le teorie che vogliono spiegare l’origine dei virus. La teoria

dell’evoluzione retrograda sostiene che i virus siano delle forme di vita degenerate che hanno

conservato solo l’informazione genetica necessaria per la loro vita parassitaria, mentre la

teoria delle origini cellulari sostiene che i virus deriverebbero da porzioni del genoma della

cellula che si sono rese indipendenti, e la teoria delle entità indipendenti sostiene che i virus si

siano evoluti seguendo una via parallela a quella degli organismi cellulari. Ciò che appare però

evidente, vista la necessità di un virus della presenza di una cellula ospite per riprodursi, è che

i virus si siano evoluti dopo la comparsa delle cellule.

RIPRODUZIONE E CICLO CELLULARE.!

Per far si che da una singola cellula (zigote) si sviluppi un organismo completo, ogni

singola cellula deve crescere e dividersi per dare origine ad altre cellule, e le cellule che da

essa originano devono acquisire proprietà peculiari, trascrivendo geni specifici che le portino a

formare i vari tessuti dell’organismo. Questi processi sono noti come ciclo cellulare e

differenziamento cellulare. A questi due si è aggiunta la morte cellulare, e insieme

determinano complessivamente lo stato proliferativo di una cellula e quindi di un tessuto.

Negli organismi unicellulari più semplice la divisione cellulare avviene per scissione, e

può essere un processo assai rapido che impiega anche meno di 30 minuti per completarsi.

Negli eucarioti esistono invece due tipi di riproduzione, che sono la mitosi e la meiosi. Tutte le

cellule della linea somatica e quelle della germinale non differenziate, si dividono per mitosi,

mentre la meiosi è un processo che interessa quelle cellule che hanno iniziato un processo

differenziativo. La mitosi, negli organismi pluricellulari, è fondamentale per la formazione dei

tessuti e per l’omeostasi tissutale, ed il patrimonio genetico viene fedelmente duplicato ed

equamente ripartito alle cellule figlie. Nella meiosi invece il patrimonio cromosomico risulta

dimezzato e aumenta la variabilità genetica attraverso processi di ricombinazione omologa.

Il ciclo cellulare.!

Le cellule eucariotiche si riproducono grazie ad una serie ordinata di eventi denominata

ciclo cellulare. Durante questo ciclo la cellula svolge molte attività, ma le più importanti sono

la replicazione del DNA, la preparazione alla divisione e la divisione vera e propria che prende

il nome di citodieresi.

Ad un certo momento della sua esistenza la cellula si arrotonda, il nucleo si disgrega, i

cromosomi diventano visibili, la cellula si solleva dal substrato di adesione, s’allunga ed infine si

divide dando origine a due cellule. Questi cambiamenti sono descritti collettivamente con il

nome di mitosi (fase M), ed il lungo periodo che la prepara prende il nome di interfase.

Durante quest’ultima la cellula cresce in dimensioni, replica il DNA e monitora l’integrità del

genoma, ovvero controlla che il DNA non abbia subito eccessive modificazioni. Molte delle

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attività dell’interfase hanno una sequenza ordinata, e per questo si è deciso di dividere

l’interfase in una fase S, di sintesi del DNA, e due fasi G1 e G2, durante le quali la cellula

integra le informazioni che provengono dall’interno e dall’esterno, e verifica che tutte le

condizioni richieste siano state soddisfatte.

Solitamente, nello studio, vengono presi in considerazione i fibroblasti, che hanno un

periodo di riproduzione di circa 24 ore, ma la durata delle fasi può variare notevolmente di

cellula in cellula.

Durante la fase G1 la cellula riceve segnali dall’ambiente e decide se proseguire nella

divisione o meno. Quando la cellula permane in fase G1 per un lungo periodo, si dice che è

uscita dal ciclo cellulare e si trova in una fase di quiescenza G0. E’ il caso di neuroni e cellule

muscolari oppure dei fibroblasti che permangono in questa fase per lunghi periodi anche se

possono rientrare nel ciclo. Altri tessuti sono invece sottoposti a continuo rinnovo, come

avviene nel sistema ematopoietico, l’epidermide e molti epiteli.

Le cellule che si dividono in continuazione sono definite cellule staminali, che sono

cellule indifferenziate capaci di dare origine a figlie che potranno iniziare un percorso

differenziativo per un dato tessuto. Caratteristica di queste cellule è la loro asimmetria nella

mitosi, che non è ancora stata spiegata al meglio. Nel caso dell’epidermide però si nota che

alla mitosi di una cellula staminale dello strato basale, delle due cellule figlie una non prenderà

contatto con la lamina basale, mentre l’altra si, e sarà proprio questa a continuare a mostrare i

caratteri di staminalità.

Regolazione del ciclo cellulare.!

Alcuni sistemi verificano il passaggio attraverso le diverse fasi che contraddistinguono il

ciclo cellulare. E’ richiesto infatti che ogni fase del ciclo sia correttamente terminata prima che

la successiva possa essere avviata. Queste verifiche sono denominate checkpoint o punti di

controllo del ciclo cellulare, e sono tre:

1. Il checkpoint che controlla l’ingresso alla fase S, che controlla che il DNA si presenti

integro e che vi siano gli elementi nutritivi necessari per la crescita cellulare oltre che la

presenza degli adeguati fattori di crescita.

2. Il checkpoint che controlla l’ingresso alla fase M, che opera affinchè sia controllato il

DNA e impedisce l’ingresso alla fase M alle cellule che non abbiano completato la

replicazione del DNA.

3. Il checkpoint che controlla il completamento della fase M, che opera affinchè sia

controllata la progressione della mitosi, in particolare il corretto allineamento dei

cromosomi in piano equatoriale e la corretta interazione con il fuso mitotico.

Il blocco, qualora non siano rispettati i parametri, è assicurato dalla presenza dei fattori

molecolari che si organizzano nel checkpoint, ed il meccanismo si basa principalmente su una

modificazione post-traduzionale che è la fosfolirazione dei residui di serina e treonina di

particolari proteine cellulari.

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Il passaggio attraverso le varie fasi del ciclo cellulare è permesso dall’azione di una

chinasi che funziona insieme ad una subunità regolativa che è la ciclina. Il complesso chinasi-

ciclina promuove la mitosi e, senza ciclina, la chinasi non è attiva. Per questa ragione la chinasi

è denominata Cdk (chinasi ciclina-dipendente). Nel caso della regolazione della mitosi, la

ciclina B incomincia ad accumularsi a partire dalla fase S, ma il complesso MPF (che è il

complesso Cdk-ciclina) non si attiva se non alla transizione da G2 a M. Ma come è possibile

quindi innescare l’attivazione dell’MPF? La chinasi è soggetta a controllo da altre chinasi che,

aggiungendo gruppi fosfato in gruppi critici di Cdk, esercitano un ruolo fondamentale

nell’attivazione del complesso. Nel caso della fase M, non appena si forma il complesso Cdk-

Ciclina B, la treonina 161 della Cdk viene fosforilata dall’enzima CAK, mentre se la cellula non

è in mitosi la tirosina 15 e la treonina 14 sono soggetti a fosforilazione inibitoria.

Queste modificazione regolano l’attività dell’MPF perchè il sito attivo della Cdk è

caratterizzato da un’insenatura cui si lega l’ATP e dove viene anche inserita la porzione della

proteina che va fosforilata. L’accesso all’insenatura è però ostruito dalla presenza di una

particolare regione della Cdk definita T-loop con azione auto-inibitoria. In assenza della ciclina

la T-loop si ripiega all’ingresso del sito attivo, mentre la presenza della ciclina ne provoca un

leggero spostamento. Ma per ottenere una piena attivazione è necessario che la treonina 161

del T-loop sia fosforilata da una Cdk definita CAK. Il legame con la ciclina determina anche il

riposizionamento della treonina 14 e della tirosina 15. Una fosforilazione di questi due

frammenti agirebbe con effetto inibitorio, mentre la rimozione dei gruppi fosfati, grazie

all’apporto della Cdc25, da questi due fattori determina l’attivazione dei complessi Cdk-ciclina.

Il transito attraverso la mitosi della cellula comporta la degradazione del complesso

Cdk-ciclina che è mediato dal sistema ubiquitin-proteosoma.

L’ubiquitina viene attaccato covalentemente ad un gruppo amminico di una lisina

presente sulla protein da dover degradare, e ad essa, ne vengono concatenate dopo molte

altre, creando così una catena di poli-ubiquitine che servità da sequenza per l’indirizzamento

nel proteosoma della proteina da degradare.

La poli-ubiquitinazione è permessa dall’azione di tre enzimi E1, E2 ed E3, tra cui

quest’ultimo ha il ruolo più importante perchè riconosce la proteina da degradare e

trasferisce su di esse le ubiquitine. Durante la mitosi sarà il complesso APC a promuovere

l’ubiquitinazione della ciclina B.

L’MPF agisce perchè la cellula possa acquisire tutte le modificazione necessarie per la

progressione della stessa mitosi.

Diversi studi hanno mostrato che il disassemblaggio della lamina nucleare costituisce il

prerequisito essenziale per la disgregazione della membrana nucleare. Le lamine sono

substrati di Cdk e, una volta fosforilate, depolimeralizano facilitando la vescicolazione

dell’involucro. Lo stesso, per lunghe linee, avviene nel caso dell’apparato del Golgi, nei

mitocondri e nel reticolo endoplasmatico.

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Anche i microtubuli vanno incontro a mutamenti radicali, e la loro stabilità viene

rapidamente intaccata nel processo di avvicinamento alla mitosi. Risulta chiave l’azione della

Cdk anche in questo caso che interviene nella fosforilazione della proteina MAP4, tra le altre.

Anche nell’ambito del compattamento del DNA, per rendere visibili e disponibili i

cromosomi, le Cdk potrebbero regolare degli enzimi chiamati condensine, coinvolte

nell’architettura della cromatina.

E’ necessario tener presente che questi enzimi (Cdk-cicline) sono coinvolti anche nella

regolazione della transizione tra le altre fasi del ciclo cellulare. La combinazione tra le diverse

cicline e Cdk non attiva soltanto la chinasi, ma la guida verso la fosforilazione di specifici

substrati, relativamente alle specifiche fasi del ciclo cellulare. Il transito attraverso i momenti

iniziali della fase G1 è garantito dai complessi formati dalle cicline D1,D2 e D3 e dalle chinasi

Cdk4 e Cdk6, mentre la fase p