Esame Citologia (Scienze biologiche) prof. Canapa

CICLO CELLULARE

Il ciclo cellulare è la serie di eventi che avvengono in una cellula eucariote tra una divisione cellulare e quella

successiva. La durata del ciclo cellulare varia col variare della specie, del tipo di cellula e delle condizioni di crescita.

Negli organismi pluricellulari alcune cellule una volta raggiunta la maturità perdono la capacità di dividersi. Il ciclo

cellulare è un processo geneticamente controllato, costituito da una serie di eventi coordinati e dipendenti tra loro, dai

quali dipende la corretta proliferazione delle cellule eucariotiche. Gli eventi molecolari che controllano il ciclo cellulare

sono ordinati e direzionali: ogni processo è la diretta conseguenza dell'evento precedente ed è la causa di quello

successivo. È caratterizzato da cinque fasi: fase G1, fase S, fase G2, mitosi e citodieresi chiamata anche divisione

citoplasmatica; G sta per "GAP" (Intervallo).S sta per "SYNTHESIS" (Sintesi) M per mitosi.

Nelle cellule eucariotiche la progressione attraverso le varie fasi del ciclo cellulare risulta essere finemente regolata

dalle chinasi ciclina-dipendenti o CDK una famiglia di proteine chinasi la cui attività dipende dalla loro associazione

con delle subunità proteiche regolative dette cicline; queste ultime sono proteine instabili, sintetizzate e degradate

periodicamente, che si accumulano in fasi del ciclo specifiche e che non solo attivano le CDK, ma ne determinano

anche la specificità di substrato.

Affinché l’informazione genetica venga correttamente trasmessa dalla cellula madre alle cellule figlie, il genoma deve

essere prima duplicato durante il periodo di tempo denominato fase S e in seguito i cromosomi devono venire

segregati nelle due cellule figlie durante la fase M. La fase M è a sua volta composta da due processi, strettamente

collegati: la mitosi, durante la quale i cromosomi della cellula sono divisi tra le due cellule figlie e la citocinesi, che

comporta la divisione fisica del citoplasma della cellula.

Il sistema di controllo del ciclo cellulare è costituito da una famiglia di proteine che regolano l'entrata della cellula nei

diversi stadi del ciclo cellulare, fungendo come una sorta di interruttori binari rigidamente programmati che possono

essere alternativamente in uno stato "spento" e in uno stato "acceso", senza possibilità intermedie e in modo

irreversibile. Sono inoltre in grado di rilevare il comportamento della cellula durante il ciclo cellulare, così da ritardare

l'entrata in una determinata fase qualora la cellula non fosse ancora pronta. Nella maggior parte delle cellule degli

eucarioti superiori, il sistema di controllo possiede tre stazioni regolatrici fondamentali per la prosecuzione del ciclo

cellulare dette punti di controllo (checkpoints). Qualora la cellula rilevasse problemi al suo interno o all'esterno può

scatenare meccanismi che bloccano il ciclo cellulare in uno di questi tre punti.

• il punto di restrizione è il primo punto di controllo del ciclo cellulare, collocato alla fine della fase G .

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Superandolo, la cellula inizia a duplicare il proprio DNA entrando nella fase S. Ciò che permette il superamento

del controllo è essenzialmente un ambiente extracellulare ed intracellulare favorevole.

• Il punto di controllo G /M è il secondo, posto alla fine di G . Il suo superamento permette l'entrata nella fase

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M e quindi l'inizio del processo della mitosi, a partire dalla profase, fino ad un punto intermedio tra la metafase e

l'anafase. Permette il superamento del controllo un ambiente favorevole e l'avvenuta replicazione del DNA.

• La transizione metafase-anafase è il terzo punto di controllo, posto proprio tra queste due sottofasi della

fase M, il suo superamento porta alla disgiunzione dei cromatidi fratelli allineati all'equatore della cellula e al

completamento della mitosi e della citodieresi. Permette il superamento del controllo l'allineamento dei cromosomi

all'equatore e la loro corretta connessione con il fuso mitotico.

La fase G1 è in citologia la prima fase del ciclo cellulare, che dà inizio all'interfase dove in questa fase la cellula

raddoppia le dimensioni e aumenta anche il numero di enzimi e organuli (come gli apparati di Golgi e i lisosomi).

Essa è un periodo di intensa attività biochimica che ha inizio immediatamente dopo la nascita della cellula ed è

seguita dalla fase S. Nella fase G1 la cellula, appena uscita dal processo di mitosi e quindi avente dimensioni ridotte,

accresce il suo volume e costruisce le strutture necessarie per sostenerlo: vengono perciò sintetizzate numerosi

organuli ed in particolare si ha una elevata attività di sintesi di proteine e di RNA. Inoltre nelle cellule animali i

due centrioli, a differenza delle cellule vegetali, iniziano a separarsi ed a duplicarsi. Questa fase ha una durata

temporale, variabile da pochi minuti a ore, che può oscillare a seconda del genere di organismo di cui fa parte e del

tipo di cellula, tuttavia è sempre la più lunga a tal punto che, è proprio la durata di G1 a condizionare la durata

dell'intero ciclo cellulare.

In parole povere, in questa fase la cellula cresce, produce nuovi organuli, rinnova e aumenta le strutture membranose

che derivano dal reticolo endoplasmatico come lisosomi,apparato del Golgi e vacuoli, sviluppa microtubuli e

microfilamenti, accumula le molecole necessarie per la fase S. Verso la fine, nelle cellule animali iniziano a separarsi

e a duplicarsi due centrioli, implicati nella produzione di microtubuli del fuso mitotico.

La fase S (S come sintesi) è in citologia una fase del ciclo cellulare, durante la quale il processo principale è la sintesi

e duplicazione del materiale genetico contenuto nel DNA.

In questa fase, che ha inizio dopo la fase G1 e che è seguita dalla fase G2, i 2 filamenti appaiati che compongono la

molecola di DNA progressivamente si separano facendo da stampo ognuno per un nuovo filamento complementare.

La fase S in genere dura meno della fase G1 che la precede, ma comunque la sua durata oscilla molto a seconda

dell'organismo di cui fa parte la cellula e del tipo di cellula. Durante questa fase il centrosoma inizia la sua divisione.

Duplicazione del DNA

I due filamenti uniti da legami ad idrogeno si separano per fare da stampo a due nuovi filamenti, per questo il processo è detto semi conservativo.

Nei cromosomi eucariotici la replicazione inizia da più bolle di replicazione in quanto sono molto lunghi. L'enzima DNA-elicasi ha il compito di

separare i due filamenti, poi entra in gioco l'enzima DNA-polimerasi che lega nuovi nucleotidi solo in direzione 5'-3' e controlla che non ci siano

errori nell'accoppiamento delle basi. Nel replicare il filamento 3'-5' (detto filamento guida) il DNA-polimerasi non incontra problemi e prosegue senza

interruzioni, mentre per replicare l'altro filamento (detto filamento lento) forma tanti piccoli filamenti chiamati frammenti di Okazaki che

successivamente saranno legati tra loro dall'enzima DNA-ligasi. La replicazione del filamento lento avviene in questo modo perchè viene

sintetizzato nella direzione opposta alla replicazione in quanto il DNA-polimerasi non funziona in direzione 3'-5'. Un altro "difetto" del DNA-

polimerasi è che non può partire dal nulla nell'aggiungere nucleotidi, ma ha bisogno di continuare da altri, perciò entra in gioco l'enzima RNA-

polimerasi che è in grado di sintetizzare senza un innesco, e da qui poi continua il DNA-polimerasi. In questo modo i piccoli frammenti di Okazaki

sono separati tra loro soltanto da nucleotidi di RNA-polimerasi che vengono poi tolti, così che il DNA-ligasi finalmente riesca a legarli insieme.

La fase G2 in citologia è una fase del ciclo cellulare, l'ultima dell'interfase.

In questa fase la cellula si prepara alla mitosi. I centrioli hanno completato la duplicazione: due nuovi si posizionano,

restando vicini, esternamente alla membrana nucleare. I microtubuli e i microfilamenti iniziano ad assemblarsi

formando il fuso mitotico in vista del loro compito di ripartizione dei cromosomi dei due corredi cromosomici. Verso la

fine, si ha la spiralizazione della cromatina in strutture distinguibili, i cromosomi. Il processo si completa nella fase M.

La 'mitosi è un processo di riproduzione delle cellule eucariotiche. Il termine mitosi deriva dal greco mìtos, "filo": nome

dovuto all'aspetto filiforme dei cromosomi durante lametafase.

La mitosi è molto simile alla meiosi, ma si distingue da essa poiché forma 2 cellule figlie con lo stesso numero di

cromosomi della cellula madre, mentre nella meiosi si formano 4 cellule figlie con il corredo cromosomico dimezzato.

La mitosi riguarda le cellule somatiche dell'organismo (ossia tutte le cellule fuorché quelle che hanno funzione

riproduttiva: i gametociti primari, i quali utilizzano la meiosi) e lecellule germinali ancora indifferenziate. La mitosi si

divide in quattro fasi più una, chiamate:

• profase

• prometafase

• metafase

• anafase

• telofase

• citodieresi(che è diversa dalle precedenti perché non interessa il nucleo, come le precedenti, ma interessa

l'intera cellula)

Profase

In questa fase vi è la condensazione della cromatina, che avviene grazie alla presenza di proteine istoniche che

fungono da centri primari di organizzazione del riavvolgimento del DNA (primo ordine di spiralizzazione) e

della topoisomerasi II, che, oltre alla sua funzione catalitica, agisce come centro di organizzazione del secondo ordine

di spiralizzazione. Segue un terzo ordine di cui non si conoscono le proteine implicate; forse è conseguenza della

tensione accumulata dalle precedenti spiralizzazioni. Questo grosso superfilamento viene impaccato formando delle

anse che si riuniscono formando il cromosoma visibile. Ogni cromosoma visibile (che negli esseri umani ha la tipica

forma a X ad eccezione del piccolo cromosoma sessuale y) è composto in realtà da due cromatidi fratelli identici, i

quali possono essere considerati a loro volta un cromosoma. Intanto il centrosoma si duplica ed entrambi cominciano

a dirigersi ai poli opposti della cellula. Da essi si originano i microtubuli (filamenti formati da dimeri di sub-unità

proteiche tubulinaalfa e beta) che andranno a formare il fuso mitotico, la struttura che dirigerà tutti i successivi

movimenti dei cromosomi. La durata media di questo meccanismo di riproduzione cellulare varia in media, negli

organismi superiori, dalle 15 alle 30 ore.

Prometafase

a) I microtubuli cromosomici si collegano al cinetocore del cromosoma

b) I cromosomi si muovono verso l'equatore del fuso

Metafase

Questa fase inizia attraverso una sub-fase (chiamata prometafase) in cui avviene "l'improvvisa" dissoluzione della

membrana nucleare, che si