Istologia – Riproduzione ciclo cellulare

Il ciclo cellulare

Nella vita della cellula si assiste a un aumento di volume del citoplasma, nella maggior parte dei casi seguito dalla replicazione del DNA e dalla divisione cellulare. Quest'ultima permette la sopravvivenza di popolazioni di organismi unicellulari come i protozoi, ed è responsabile del mantenimento e dell'accrescimento della massa corporea degli organismi pluricellulari.

Divisione cellulare nei batteri ed eucarioti

Nei batteri, il genoma è costituito da una singola molecola di DNA circolare ancorata alla membrana cellulare. All'atto della divisione si formerà un solco tra le zone di adesione alla membrana delle molecole duplicate. Nelle cellule eucariotiche, il genoma è ripartito nei cromosomi, il cui numero deve rimanere costante (es. 46 nelle cellule somatiche dell'uomo, 23 in quelle riproduttive). Prima della divisione delle cellule eucariotiche avviene la replicazione di ciascun cromosoma. Questi sarà costituito da due cromatidi fratelli uniti da un centromero che verranno separati all'atto della divisione nucleare (mitosi) al fine di formare due corredi cromosomici identici nelle cellule figlie.

Le fasi del ciclo cellulare

Il ciclo cellulare è formato da due fasi: interfase e divisione cellulare.

Interfase

Rappresenta il 90% del ciclo cellulare; è il periodo in cui la cellula svolge normali funzioni; avvengono l'accrescimento e la duplicazione del DNA. La durata è variabile in funzione del tipo di cellula.

• Fase G1: sintesi proteine e organuli
• Fase S: sintesi DNA, produzione di due molecole identiche di DNA più proteine associate (cromatidi fratelli)
• Fase G2: produzione di proteine attive nella mitosi (es. condensazione cromosomi, degradazione membrana nucleare, formazione fuso)

Una cellula in fase G1 può uscire dal ciclo entrando in uno stato di quiescenza o G0.

Divisione cellulare

Si suddivide in mitosi (divisione nucleare) e citocinesi o citodieresi (divisione citoplasmatica).

Mitosi

Può essere schematizzata in 5 fasi (durata totale 1-2 ore in molte cellule):

• Profase: condensazione cromatina in cromosomi (visibili i due cromatidi), degradazione e scomparsa del nucleolo, migrazione centrioli ai poli opposti, depolimerizzazione microtubuli e loro riorganizzazione per la formazione del fuso mitotico
• Prometafase: frammentazione membrana nucleare, penetrazione fuso nel nucleoplasma, formazione del cinetocore sui centromeri (unisce le fibre del fuso ai cromatidi)
• Metafase: allineamento cromosomi sul piano equatoriale del fuso
• Anafase: attrazione cromatidi verso i poli che si distanziano progressivamente con conseguente allungamento della cellula
• Telofase: migrazione cromatidi ultimata, riformazione membrane nucleari, produzione cromatina dai cromatidi ora divenuti cromosomi "figli", formazione nuovi nucleoli, degradazione fuso

Citocinesi

Ha inizio nella telofase. Si forma un piano di divisione perpendicolare all'asse maggiore del fuso; un anello di filamenti proteici (actina) determina contrazioni della membrana cellulare al centro della cellula formando un solco che progressivamente porta alla sua divisione.

Il ritmo della divisione cellulare varia in funzione delle esigenze dell'organismo. È rilevante per gli organismi in accrescimento continuo. È intensa a livello di alcuni organi (es. cellule epiteliali intestino, midollo osseo, cute), possibile a livello di altri (es. rigenerazione cellule del fegato dopo intervento chirurgico), preclusa ad altri ancora: le cellule del sistema nervoso dei vertebrati non si dividono.

Fattori che influenzano il ciclo cellulare

Numerosi fattori influenzano il ciclo cellulare. Un'elevata densità cellulare può determinare l'inibizione della divisione in una popolazione di organismi unicellulari - inibizione da contatto. Recettori di membrana (glicoproteine) legano ormoni o fattori di crescita, di conseguenza all'interno della cellula vengono attivate delle protein-chinasi, enzimi che fosforilano proteine. La fosforilazione può interessare proteine istoniche e non istoniche (es. fosforilazione di proteine non istoniche G1 → S).

La fosforilazione ciclica di una classe di proteine, le cicline, influenza i passaggi verso le fasi S e M (mitosi). Le cicline stimolano l'ingresso in fase M. Sono stabili durante l'interfase mentre vengono inattivate nel corso della mitosi.

Il danneggiamento dei geni che regolano il ciclo cellulare è molto pericoloso perché può portare a una divisione cellulare incontrollata → tumore. La tendenza a sviluppare un tumore è ereditaria, ad esempio, per la presenza di siti instabili in alcuni geni che risultano maggiormente esposti all'insorgere di rotture o di riarrangiamenti cromosomici.

Il guardiano del DNA e l'apoptosi

Esiste un "guardiano" del DNA: la proteina p53. Quando il DNA risulta alterato, un'altra proteina avverte p53 che blocca la divisione, ripara il danno e fa ripartire il ciclo. Se il danno è irreparabile, comanda alla cellula il suicidio. Se p53 ha le vie di comunicazione alterate, il sistema non funziona. Ci sono soggetti in cui p53 non lavora bene.

Apoptosi

È la morte cellulare programmata, un processo che appartiene a tutte le cellule. Quando una cellula si accorge che non può più lavorare bene, si autoelimina; in particolare, se il suo DNA è alterato, si suicida per non passare il difetto alla progenie. Quando le alterazioni del DNA inceppano il meccanismo che porta al suicidio e si somma un'altra mutazione che aumenta la capacità di moltiplicarsi, nasce una cellula tumorale. Se poi acquista la capacità di moltiplicarsi indefinitamente, la situazione è estremamente pericolosa. Scatta il sistema immunitario che il più delle volte è efficace; se fallisce, il tumore si sviluppa.

Le persone con una più efficace apoptosi si ammalano meno facilmente di tumore. Esistono persone predisposte geneticamente ad avere meccanismi di apoptosi più efficaci ed altri li hanno difettosi fin dalla nascita. Dopo il sequenziamento di tutto il DNA umano, progetto genoma, siamo entrati nella postgenomica. Una delle mete della postgenomica è la terapia genica: introduzione di geni sani per aumentare l'efficacia dell'apoptosi.

Riprogrammazione

È un processo che assicura la sopravvivenza di una specie. Tale obiettivo viene raggiunto attraverso la produzione di un numero di discendenti superiore a quello dei genitori per ottenerne la progressiva sostituzione compensando le perdite dovute ai fattori di mortalità. In generale, la riproduzione avviene quando le fonti energetiche garantiscono ampiamente la sopravvivenza e le condizioni ambientali sono favorevoli. I cicli riproduttivi sono regolati da un insieme di fattori ormonali e ambientali che dipendono dalle caratteristiche delle stagioni.

Riproduzione asessuata

Avviene senza il coinvolgimento di cellule sessuali o gameti, dà luogo a discendenti (cloni) identici ai genitori. Nelle cellule eucariotiche, il meccanismo riproduttivo è la mitosi, comune nei protozoi e in molti invertebrati.

• Scissione: il corpo del genitore si divide in due parti pressoché uguali o diseguali (es. scissione binaria nei protozoi, Platelminti) o in più parti (es. scissione multipla nei protozoi, Anellidi)
• Gemmazione: dal corpo del genitore sviluppano proliferazioni destinate a distaccarsi o a rimanere unite ad esso (es. Poriferi, Cnidari)
• Frammentazione: da gruppi di cellule o appendici del corpo del genitore hanno origine nuovi individui (es. Anellidi, Poriferi), autotomia (es. Echinodermi)

Le cellule procariotiche si riproducono per scissione binaria. A volte sono tuttavia presenti fenomeni di sessualità (conciguazione).

Vantaggi della riproduzione asessuata: riduzione dei costi energetici per la ricerca del partner e l'accoppiamento, rapida colonizzazione degli ambienti. Svantaggi: produzione di discendenti identici (salvo mutazioni) che possono essere a rischio in presenza di pressioni selettive sfavorevoli.

Riproduzione sessuata

Produzione di prole attraverso l'intervento di gameti (uova e spermatozoi) che si uniscono in un processo definito fecondazione per dare origine allo zigote, una cellula del tutto nuova da un punto di vista genetico.

La riproduzione sessuata inizia con la produzione dei gameti, di spermatozoi - spermatogenesi e di uova - oogenesi. I gameti sono caratterizzati da differenti mobilità, riserve energetiche e costi di produzione. Segue la fecondazione in cui i due gameti si uniscono a formare una cellula, lo zigote, dalla quale si svilupperà un nuovo organismo.

Nella maggior parte dei Metazoi la spermatogenesi e l’oogenesi avvengono soltanto in organi specializzati per la produzione di gameti: le gonadi (testicoli e ovari) che rappresentano i caratteri sessuali primari. Caratteri sessuali secondari sono responsabili del dimorfismo sessuale.

• Specie dioiche: sessi separati, individui maschi o femmine
• Specie monoiche: organi sessuali maschili e femminili nello stesso individuo - ermafroditi