Ciclo cellulare e la sua regolazione - Biologia

Generando i gameti, la meiosi riduce il numero di cromosomi da 46 a 23. La fecondazione riporta il numero di

cromosomi a 46 attraverso l’unione di due gameti, mentre la mitosi permette di conservare questo corredo nel nucleo

di tutte le cellule somatiche del nuovo individuo.

L’interfase

La fase mitotica si alterna con l’interfase, una fase più lunga di intensa attività metabolica che può essere suddivisa in

tre sottofasi:

• Fase G1: la cellula inizia ad accrescersi.

• Fase S: avviene la duplicazione del DNA (occupa circa 10-12 ore).

• Fase G2: la cellula completa la preparazione alla divisione accrescendosi ulteriormente; in questo intervallo il

centrosoma (centro organizzatore dei microtubuli che presenta una coppia di centrioli) si duplica.

In un organismo pluricellulare alcune cellule si dividono molto raramente (le cellule dell’intestino si dividono se incombe

il bisogno causato da una ferita), oppure non lo fanno per niente; queste ultime cellule trascorrono il tempo nella fase

G0 compiendo la propria funzione all’interno dell’organismo (la cellula nervosa trasporta gli impulsi).

Le cellule si possono così distinguere:

• Cellule perenni: perdita definitiva della capacità riproduttiva (esempi:

cellule nervose e cellule muscolari, quali una volta diventate fibre

muscolari non si dividono più).

• Cellule labili: sottoposte a usura e, per questo, si dividono e rinnovano

continuamente (esempio: mucosa intestinale).

• Cellule stabili: non hanno perso completamente la capacità di

dividersi, ma la sospendono temporaneamente (esempio: cellule del

fegato, ovvero epatociti, che si dividono una volta all’anno).

Mitosi

1. PROFASE:

o Compattazione della cromatina a dare cromosomi di-

cromatidici.

o Scomparsa del nucleolo.

o Si inizia a formare il fuso mitotico nel citoplasma.

Fuso mitotico: struttura costituita da fibre di microtubuli e

centrosomi, i microtubuli si allungano incorporando un

numero sempre maggiore di tubulina (polimerizzazione) e si

accorciano attraverso la perdita di queste unità. L’insieme

dei microtubuli più brevi prende il nome di aster.

o I centrosomi si allontanano l’uno dall’altro grazie anche all’allungamento dei microtubuli tra loro

interposti.

Ogni cromosoma è formato da due molecole di DNA unite insieme dal centrosoma; a livello della strozzatura si organizza

il cinetocore (struttura proteica associata a specifiche regioni del DNA cromosomico). Il sistema di ancoraggio dei

microtubuli cinetocorici è un sistema a corona in cui i microtubuli sono stabilizzati da proteine motore (quali dineina e

chinesina) associate ad essi.

2. PROMETAFASE:

o L’involucro nucleare si disgrega in vescicole.

o I microtubuli cinetocorici si attaccano ai cinetocori di ogni

cromosoma; inizia quindi una serie di eventi repentini di

polimerizzazione e depolimerizzazione dei microtubuli alla

→

ricerca dei cromosomi. Ruolo vincolare i cromosomi ad

entrambi i poli.

o I microtubuli non cinetocorici interagiscono con i

microtubuli non cinetocorici del polo opposto del fuso.

→

Ruolo separare i centrosomi, mantenere la struttura e

separare i cromosomi.

o I microtubuli astrali hanno il ruolo di orientare il fuso.

3. METAFASE (fase più lunga):

o I microtubuli cinetocorici dispongono i cromosomi allineati

sulla piastra metafasica.

L’anafase, che comporta la separazione dei cromatidi, non avviene fino a che

tutti i cinetocori non siano legati ai microtubuli che originano da entrambi i

poli. 4. ANAFASE (fase più breve):

o I cromatidi fratelli si separano e diventano cromosomi monocromatidici, vengono tirati ai poli opposti

dalla dinamica dei microtubuli (46 cromosomi andranno verso un polo e 46 verso il polo opposto).

o Azione coniugata dei microtubuli cinetocorici e non cinetocorici, i quali svolgono processi sovrapposti

ed indipendenti:

- Anafase A:

i cromosomi vengono tirati verso i rispettivi poli grazie all’accorciamento dei microtubuli

cinetocorici.

- Anafase B:

i poli sono sia spinti sia tirati in modo da

allontanarsi tra loro, si genera infatti una forza di

scorrimento tra i microtubuli interpolari di poli

opposti che porta all’allontanamento di questi.

Si genera inoltre una forza di trazione che agisce

direttamente sui poli, facendoli allontanare.

Le proteine motrici (dineina e chinesina) associate ai microtubuli interpolari

consentono lo scorrimento reciproco di questi al centro della cellula.

Utilizzando energia ricavata da ATP, le proteine motrici modificano la loro conformazione e in questo modo esercitano

una forza che porta sia al movimento delle strutture a loro annesse sia alla depolimerizzazione dei microtubuli stessi.

5. TELOFASE:

o Si formano 2 involucri nucleari.

o Si disassembla il fuso mitotico e si forma già una incisura per

la citodieresi.

o I cromosomi si decondensano tornando cromatina.

o Ricompaiono i nucleoli.

CITODIERESI:

o Compare il solco di scissione sulla superficie della cellula, causato dalla presenza sul lato del citosol di

un anello contrattile di filamenti di actina e di miosina.

Il sistema di controllo del ciclo cellulare

A livello del passaggio da G2 a M è posizionato il punto di controllo più importante. Le proteine ciclina e chinasi, la quale

si attiva solo se legata ad una ciclina (per questo viene chiamata ciclina-dipendente) formano il complesso MPF, ovvero

il fattore di promozione mitotica che opera la fosforilazione di vari substrati proteici nel passaggio tra G2 e M

(inattivando o attivando tali substrati proteici).

➢ A livello della prometafase, MPF causa la fosforilazione di diverse proteine della lamina nucleare promuovendo

la frammentazione dell’involucro nucleare.

➢ MPF opera la fosforilazione di proteine associate ai microtubuli e al centrosoma per ottenere la formazione del

fuso mitotico.

➢ MPF opera la fosforilazione nella condensina, ottenendo come conseguenza la compattazione dei cromosomi.

➢ Durante la telofase, la chinasi opera delle reazioni che portano alla degradazione della ciclina in modo tale da

inattivarsi e gli eventi molecolari in questa fase sono tutti di defosforilazione dei substrati.

Riproduzione sessuata (o gamica)

Si ha quando la riproduzione è accompagnata da sessualità, ovvero l’organismo figlio ha una combinazione genica

diversa da quella dei genitori.

Questo tipo di riproduzione, negli organismi diploidi, prevede i seguenti eventi:

• Gametogenesi: formazione dei gameti aploidi, si divide in ovogenesi o spermatogenesi.

Nella meiosi, questo processo porta alla aploidia (premessa fondamentale per la fecondazione, in quanto

questa prevede l’unione di 2 patrimoni ereditari diversi) e all’aumento della variabilità genetica (attraverso

crossing over e assortimento casuale dei cromosomi materni e paterni).

• Fecondazione: unione dei gameti aploidi.

• Differenziamento del sesso sulla base della determinazione del sesso.

Meiosi

Processo di divisione cellulare che si realizza a

partire da una singola duplicazione del DNA seguita

da 2 divisioni cellulari (Meiosi I e Meiosi II).

➢ MEIOSI I (o DIVISIONE RIDUZIONALE):

o Appaiamento degli omologhi;

o Ricombinazione genica;

o Assortimento casuale dei

cromosomi materni e paterni;

o Riduzione del numero di

cromosomi da diploide ad aploide.

➢ MEIOSI II (o RICOMBINAZIONE EQUAZIONALE):

▪ Ripristino del corretto contenuto di DNA.

Meiosi I

P I

ROFASE

Fase molto lunga, gli ovociti entrano nella profase I durante lo sviluppo intrauterino e rimangono bloccati in questo

stadio fino alla ripresa periodica del ciclo ovarico.

1. LEPTOTENE: inizia il processo di compattamento della cromatina che diventa cromosomi.

2. ZIGOTENE: inizia l’appaiamento dei cromosomi omologhi attraverso sinapsi, tale appaiamento sembra iniziare

già nell’interfase grazie al riconoscimento di sequenze geniche omologhe (ciò non avviene anche nella mitosi).

3. PACHITENE: completo appaiamento dei cromosomi omologhi, la cui unione è data dal complesso

sinaptonemico che lega saldamente i cromatidi non fratelli attraverso sinapsi al fine di attuare il crossing over.

Il complesso sinaptonemico è una struttura di natura proteica a cui si associano le fibre dei cromosomi

omologhi dicromatidici.

CROSSING OVER:

Il crossing over è uno scambio di materiale genetico che

avviene tra cromosomi omologhi in tratti omologhi del

cromosoma paterno e materno, ogni coppia di cromosomi

può fare da 1 a 4 scambi.

I punti in cui avviene la rottura dei cromatidi e lo scambio

tra cromatidi omologhi non fratelli (crossing over) prendono

il nome di chiasmi, presso i quali i cromosomi omologhi

rimangono appaiati anche dopo la dissociazione del

complesso sinaptonemico.

Il ruolo genetico del crossing over è quello del riassortimento genico e della variabilità, mentre dal punto di

vista biologico è quello della segregazione corretta dei cromosomi alla meiosi.

4. DIPLOTENE: scompare il complesso sinaptonemico, si allontanano i cromosomi omologhi ma rimane l’unione

nelle regioni del chiasma.

5. DIACINESI: i cromatidi si accorciano e si ha la frammentazione dell’involucro nucleare.

M I

ETAFASE

Sulla piastra metafasica si posizionano i cromosomi omologhi appaiati ancora legati nei chiasmi.

I cinetocori si comportano come se fossero un unico cinetocore, legando i microtubuli provenienti da un singolo polo

del fuso.

A I

NAFASE

Dissoluzione dei legami nei chiasmi, i cromosomi omologhi migrano verso i poli opposti mentre i cromatidi di un

cromosoma di-cromatidico rimangono uniti per opera delle coesine a livello del centromero.

ASSORTIMENTO INDIPENDENTE:

L’orientamento casuale degli omologhi rispetto ai due poli determina l’assortimento indipendente dei cromosomi

omologhi, cioè l’assortimento casuale dei cromosomi paterni e materni di ogni coppia nelle due cellule figlie.

La variabilità è data dalle 70 000 miliardi possibili combinazioni di cromosomi nei gameti; tali possibili combinazioni

sono aumentate dal crossing over, ottenendo un numero astronomico.

T I C I

ELOFASE E ITODIERESI

Si ottengono 2 cellule figlie con corredo cromosomico aploide, formato da 23 cromosomi dicromatidici. Il contenuto di

DNA è perciò ancora doppio rispetto al normale.

Meiosi II

P II M II

ROFASE E ETAFASE

Non si ha un’ulteriore replicazione dei cromosomi; sulla piastra metafasica si posizionano i singoli cromosomi e i

cinetocori, essendo bi-polari, sono orientati verso i poli opposti e si separano.

A II, T II C II

NAFASE ELOFASE E ITODIERESI

Alla fine si ottengono 4 cellule figlie (gameti) con corredo cromosomico aploide formato da 23 cromosomi

monocromatidici caratterizzati