Biologia Applicata - Ciclo Cellulare

IL CICLO CELLULAREIL CICLO CELLULARE

LA DIVISIONE CELLULARE: INTRO

Ripetute divisioni della cellula uovo fecondata (zigote) portano alla formazione di un organismo multicellulare complesso costituito da cellule differenziate organizzate secondo uno schema preciso


Tramite il processo di divisione cellulare, l’organismo può crescere o sostituire le cellule che vanno perdute (per usura o per apoptosi).


Cellule Perenni

neuroni

cellule muscolari scheletriche e cardiache

adipociti (?)

Non hanno capacità mitotica: non possono essere sostituite se vengono perdute.


Hanno una capacità mitotica limitata, in risposta a stimoli appropriati (es., perdita

Cellule Stabili

epatociti

cellule muscolari lisce

fibroblasti e cellule endoteliali

di epatociti)


Hanno una capacità mitotica elevata.

Cellule Labili

cellule staminali nel midollo osseo (globuli rossi e bianchi)

cellule staminali nei tessuti epiteliali

oogoni e spermatogoni


La divisione cellulare origina due cellule figlie, ciascuna dotata di un patrimonio genetico identico a quello della cellula madre. Di conseguenza, quando una cellula si divide, l’informazione contenuta nel DNA deve essere prima duplicata e le copie trasmesse alle cellule figlie attraverso una serie di eventi precisi.


Il DNA è una molecola molto lunga e sottile, che può facilmente aggrovigliarsi e rompersi. Gli eucarioti impacchettano ogni molecola di DNA con proteine e assemblano il complesso risultante in unità strutturali: i cromosomi. Ogni cromosoma contiene centinaia o migliaia di geni. Geni: unità di informazione, che controllano le attività della cellula e possono essere trasmessi

IL CICLO CELLULARE: MITOSI

La mitosi è il meccanismo che assicura che la cellula madre trasmetta una copia di ogni cromosoma a ciascuna delle cellule figlie. In tal modo il numero dei cromosomi è mantenuto uguale ad ogni divisione cellulare.

IL CICLO CELLULARE: DEFINIZIONE

Gli stadi attraverso i quali passa una cellula tra una divisione cellulare e la successiva costituiscono il CICLO CELLULARE

STRUTTURA DEI CROMOSOMI

Lunghi e sottili filamenti parzialmente srotolati che,aggregandosi, conferiscono alla cromatina un aspettogranulare


Al momento della divi-sione cellulare, le fibredi cromatina si conden-sano e i cromosomi sirendono evidenti comestrutture distinte


Nucleosoma: piccolo rocchetto che impedisce alle molecole di DNA di aggrovigliarsi. Ha una struttura simile ad una perla con un tratto di DNA di 146 coppie di basi avvolto due volte intorno ad un nucleo discoidale costituito da 8 proteine istoniche.Un segmento di DNA di 60 coppie di basi collega i nucleosomi tra loro: DNA di giunzione.


Proteine dell’impalcatura: proteine non istoniche che contribuiscono alla struttura dei cromosomi.


I nucleosomi hanno un diametro di 11 nm. Un quinto tipo di istone (H1) si associa con il DNA di giunzione compattando tra loro nucleosomi adiacenti (nucleosomi impacchettati): fibra di 30 nm.



ETEROCROMATINA

La maggior parte della cromatina nei nuclei interfasici appare sotto forma di fibre da 30 nm organizzate in grandi anse, tenute insieme da proteine di impalcatura.

EUCROMATINA


L’eucromatina è la cromatina meno condensata. Appare sotto forma di lunghi filamenti sottili ed è costituita dalle fibre di 30 nm e dai domini ad ansa.

EUCROMATINA

ETEROCROMATINA


Le anse possono a loro volta interagire per formare la cromatina altamente condensata che costituisce i cromosomi metafasici: eterocromatina.

EUCROMATINA

ETEROCROMATINA


Eterocromatina: compatta o condensatain grossi ammassi

Eucromatina: dispersa in filamenti sottili


Ciascun cromosoma presenta un centromero e due braccia. Le estremità di ogni cromosoma sono protette da un cappuccio, denominato telomero.

Il centromero è una regione di costrizione che serve a tenere insieme le copie del cromosoma duplicato e ad attaccarle al fuso mitotico mediante un complesso proteico.



Nell’uomo, così come in quasi tutte le cellule eucariotiche,

i cromosomi sono a coppie

Cellule diploidiCellule diploidi (n dei cromosomi è detto diploide o 2n)

UOMO: 46

Gli ovociti e gli spermatozoi (gameti) hanno solo una coppia di

ciascun cromosoma: cellule aploidicellule aploidi

UOMO: 23

IL CICLO CELLULARE

CICLO CELLULARE: stadi attraverso i quali passa una cellula da una divisione all’altra (8-20 ore).

Interfase = G1 (primo Gap), S e G2 (secondo gap)

Fase M = mitosi e citochinesi

IL CICLO CELLULARE

Mitosi: è il meccanismo che assicura che la cellula madre trasmetta una copia di ogni cromosoma a ciascuna delle cellule figlie.

IL CICLO CELLULARE

Citocinesi: consiste nella divisione del citoplasma della cellula per formare due cellule figlie. Di solito, inizia prima che la mitosi sia completata.

IL CICLO CELLULARE

Interfase: periodo che intercorre fra una fase M e la successiva. Una cellula in grado di dividersi è molto attiva poichè sintetizza le sostanze necessarie e si accresce: lipidi, proteine e altre macromolecole.

IL CICLO CELLULARE

Fase S: sintesi di DNA

G1: intervallo fra il completamento della mitosi e l’inizio della sintesi di DNA.

G2: intervallo tra la fine della sintesi di DNA e l’inizio della mitosi

IL CICLO CELLULARE

G1 e G2 forniscono un tempo ulteriore per la crescita: se l’interfase durasse soltanto il tempo necessario per la replicazione del DNA, la cellula non avrebbe il tempo di raddoppiare la propria massa prima di dividersi.

IL CICLO CELLULARE

La crescita ed il normale metabolismo avvengono in fase G1. Durante G1, la cellula controlla l’ambiente e le proprie dimensioni e, al momento opportuno, avvia la fase decisiva di replicazione del DNA: incrementa l’attività degli enzimi richiesti per sintesi DNA.

La sintesi di questi enzimi e delle proteine necessarie per la divisione ingresso in fase S

IL CICLO CELLULARE

Durante la fase S, avvengono la replicazione del DNA e la sintesi degli istoni, poichè la cellula deve duplicare i propri cromosomi

IL CICLO CELLULARE

La fase G2 fornisce un intervallo di sicurezza, permettendo alla cellula di assicurarsi che la replicazione del DNA sia stata completata prima di iniziare la mitosi. Durante G2 aumenta la sintesi proteica, come stadio terminale della preparazione della cellula alla divisione.

IL CICLO CELLULARE

8-10 ore

4-6 ore

6-8 oreFase S(Sintesi di DNA)

Fase S

Fase G2(Gap 2)

G2

Fase M(Mitosi)

MG1

Fase G1(Gap 1)

Esistono molte variazioni a questo schema per quanto riguarda:• durata globale del ciclo • lunghezza relativa delle varie fasi

IL CICLO CELLULARE

Cellule di lievito 30 min

Fibroblasti 20 ore

Epatociti 1 anno

La durata del ciclo varia molto, soprattutto nella lunghezza della fase G1. In una cellula adulta può durare da 12 a 36 ore, la differenza dipende dalla fase G1.

Le cellule che non si dividono si arrestano in G1 G0 (giorni, settimane, anni)

IL CICLO CELLULARE

Cellule embrionali precoci: G1 e G2 drasticamente ridotte, il tempo fra una divisione e la successiva è trascorso metà in fase S e metà in fase M (8-60 min) suddivide un uovo gigante in molte cellule più piccole

IL CICLO CELLULARE


La fase M è il culmine del ciclo cellulare. Durante la mitosi (fase di divisione nucleare) e la citocinesi (fase di divisione citoplasmatica) il contenuto della cellula parentale, che è stato raddoppiato dall’attività biosintetica della precedente interfase viene segregato in due cellule figlie.


La mitosi è accompagnata da molti cambiamenti morfologici:•condensazione cromosomi•rottura involucro nucleare

•frammentazione RE e GolgiInoltre, la cellula allenta l’adesione alle altre cellule ed alla matrice. Cascata di eventi aattivata dall’MPF


IL CICLO CELLULARE: MITOSILa profase

La profase inizia con la compattazione dei cromosomi, quando i lunghi filamenti di cromatina (eu- ed etero-cromatina) diventano più corti e più spessi (spiralizzazione): la cromatina può essere distribuita alle cellule figlie senza aggrovigliarsi.


La condensazione richiede l’intervento degli istoni e delle condensine. Le condensine si legano al DNA e lo avvolgono in anse spiralate che vengono compattate a formare un cromosoma mitotico. Utilizzano l’energia proveniente dall’idrolisi di ATP.

Fosforilazione di istoni e condensine ad operadell’MPF.


Ogni cromosoma è stato duplicato in fase S: coppia di unità identiche (cromatidi fratelli).

I cromatidi fratelli si associano in corrispondenza del centromero (coesina).

Ad ogni centromero è associata una struttura proteica, il cinetocoro, alla quale si legano imicrotubuli del fuso durante la prometafase.


Oltre alla condensazione della cromatina in due cromatidi fratelli:

•RE e Golgi si frammentano

•l’involucro nucleare ed il nucleolo (stop sintesi di RNA) cominciano a scomparire

•i centrosomi si spostano verso i poli opposti della cellula


•I microtubuli interfasici si disassemblano e inizia a formarsi il fuso mitotico. Il fuso, all’inizio, si assembla tra i centrosomi che si separano, fuori dal nucleo.

IL CICLO CELLULARE: MITOSILa prometafase

•Termina la disgregazione dell’involucro nucleare

•Si organizza il fuso mitotico

•I microtubuli si legano al cinetocoro da entrambi i lati del centromero

•I microtubuli iniziano a posizionare i cromosomi sulla piastra equatoriale

IL CICLO CELLULARE: MITOSIApparato mitotico

Complessa struttura citoplasmatica costituita da:

Centrosoma

Astrosfera (microtubuli del raggio)

Fuso mitotico (microtubuli polari e del cinetocoro)

Microtubuli cinetocore

La sua funzione è quella di determinare lo spostamento dei cromosomi durante l’anafase


Centrosoma: gruppo di microtubuli astrali che si irradiano dai centrosomi. Compare durante la profase, raggiunge la max estensione in metafase e scompare alla fine della telofase. Alcuni interagiscono con la

membrana plasmatica.

Centrosoma: coppia di centrioli, circondata da fibrille che costituiscono la sostanza pericentriolare.


Astrosfera (aster): gruppo di microtubuli astrali che si irradiano dai centrosomi. Compare durante la profase, raggiunge la max estensione in metafase e scompare alla fine della telofase. Alcuni interagiscono con la

membrana plasmatica.


Fuso mitotico: compare durante la profase e scompare alla fine della telofase.

E’ costituito da:

microtubuli del cinetocoro (decorrono dai cromosomi, inserendosi nel cinetocore, ai due po

li opposti della cellula)


Fuso mitotico: compare durante la profase e scompare alla fine della telofase.

E’ costituito da:

microtubuli polari (si originano ad un polo della cellula e terminano nella regione centrale del fuso)

Solomon, Berg, Martin – Biologia – Capitolo 9







IL CICLO CELLULARE: MITOSILa metafase

I cromosomi si allineano sul piano equatoriale della cellula (piastra metafasica)

Controllo del perfetto allineamento ed attivazione del complesso che promuove l’anafase (APC)

IL CICLO CELLULARE: MITOSILa metafase

IL CICLO CELLULARE: MITOSIL’anafase

La coesina localizzata ai centromeri si disaggrega, consentendo la separazione dei due cromatidi fratelli. Un intero corredo cromosomico migra verso ciascun polo.


Anafase A: movimento verso i poli dei cromatidi, accompagnato dall’accorciamento dei microtubuli del cinetocoro (1 µm/sec).

Anafase B: separazione dei poli stessi, accompagnata dall’allungamento dei microtubuli polari.


+

+

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Un sistema motorio del microtubulo (dineina) forma attivamente ponti trasversali lungo il microtubulo determinando lo scorrimento del cinetocoro lungo il microtubulo. L’idrolisi di ATP fornisce l’energia necessaria alla formazione dei ponti. I microtubuli si disgregano dopo il passaggio del cinetocoro.

Anafase A


+

+

Anafase B

Durante l’anafase l’intero fuso si allunga, poichè i microtubuli polari che hanno origine ai poli opposti sono associati con dei motori che si spostano verso le estremità + (chinesina), facendo scivolare i microtubuli l’uno sull’altro, diminuendo il loro grado di sovrapposizione ed allontanando i poli.


+

+Le proteine motrici dei microtubuli astrali ancorano le estremità + dei microtubuli alla corteccia cellulare e, inducendo la depolimerizzazione dei microtubuli alle estremità +, esercitano una forza di trazione sui poli del fuso: separazione dei poli stessi.


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+

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+

+

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IL CICLO CELLULARE: MITOSILa telofase

+

+

•I cromosomi monocromatidici arrivano ai poli

•I cromosomi si decondensano despiralizzandosi

•Attorno ad ogni serie di cromosomi compare un involucro nucleare costituito da piccole vescicole e da altre componenti del vecchio involucro nucleare

IL CICLO CELLULARE: MITOSILa telofase

+

+

•Dopo che il nucleo si riforma, i pori nucleari cominciano a pompare proteine nucleari al suo interno

•Riprende la sintesi di RNA e, quindi, ricompare il nucleolo

•I microtubuli del fuso scompaiono

•Ulteriore allungamento dei microtubuli polari


IL CICLO CELLULARE: MITOSILa duplicazione degli organuli citoplasmatici

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•La divisione cellulare deve assicurare che tutte le classi essenziali dei componenti cellulari siano ereditate da ciascuna cellula figlia

•I mitocondri e i perossisomi si formano per crescita e scissione degli organelli preesistenti: saranno ereditati con sicurezza solo se, in media, il loro numero raddoppia ad ogni generazione cellulare.

•Il reticolo endoplasmatico e l’apparato del Golgi aumentano di volume durante G2. Durante la mitosi si scindono in una serie di frammenti e vescicole più piccoli, perchè in questa forma vescicolata possono essere distribuiti più uniformemente quando la cellula si divide.


•Le vescicole del reticolo endoplasmatico e del Golgi possono associarsi con i microtubuli del fuso mitotico, il che permette una uguale distribuzione tra le cellule figlie.


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G2/M Profase

Durante M, levescicole di Golgisi associano coni microtubuli

Alla fine dellacitocinesi le cisternedel Golgi si ricolloca-no nella posizioneoriginaria

IL CICLO CELLULARE: La citocinesi

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La citocinesi, cioè la divisione del citoplasma per pro-durre due cellule figlie, comincia durante la telofase(si sovrappone alla mitosi). Un anello di microfilamenticontrattili di actina associati alla membrana plasmati-ca circonda la cellula nella regione equatoriale, per-pendicolarmente al fuso. La contrazione dell’anello produce un solco di divisione che gradualmente si approfonda e separa il citoplasma in due cellule figlie,ciascuna con un nucleo completo.




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Zigote di rana in divisione

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IL CICLO CELLULARE: Riassunto

Interfase Profase

Metafase Anafase Telofase

DURATA DEL CICLO CELLULARE

8-10 ore

4-6 ore

6-8 oreFase S(Sintesi di DNA)

Fase S

Fase G2(Gap 2)

G2

Fase M(Mitosi)

MG1

Fase G1(Gap 1)

1-2 ore

La durata di S e G2 è relativamente costante

La durata del ciclo cellulare è di circa 12-36 ore

In alcuni casi,dopo la fase M, la cellula può andare incontro ad un processo di autodistruzione regolato da geni. Si tratta di un vero e proprio suicidio programmato, detto morte cellulare programmata o apoptosi.

CONTROLLO DEL CICLO CELLULARE

Start pointIl ciclo cellulare procede in una sola direzione

Ogni fase del ciclo de-ve essere completata cor-rettamente prima che inizila successiva Start point è il punto di non ritorno oltre

il quale la cellula completa il ciclo anche sele condizioni cambiano (deprivazione siero)

CONTROLLO DEL CICLO CELLULARELe cicline

•Varie protein-chinasi sono coinvolte nel controllo del ciclo cellulare: chinasi ciclina-dipendenti (Cdk).

•Le Cdk attivano o inattivano altre proteine mediante fosforilazione dei residi di serina e treonina.

•L’attività, ma non la sintesi, di varie Cdk aumenta e diminuisce durante il ciclo cellulare.

•Le Cdk sono attive solo quando complessate con pro-teine di regolazione dette cicline, perchè i loro li-velli fluttuano durante il ciclo cellulare.

Complesso ciclina-Cdk

CONTROLLO DEL CICLO CELLULARELe cicline

M-CdK (MPF):promuove la mitosi

S-CdK:avvia la re-plicazione del DNA

G1-CdK:prepara la cellula a passare da G1 a S

Le cellule euca-riote formano 3principali complessiciclina-Cdk

Se si fanno fondere cellule in S con cellule in G1, nel nucleo inizialmente in G1 inizia subito la replicazione del DNA: questo vuol dire che nella cellula in fase S c’e’ una sostanza che inizia la fase S stessa.

SEGNALI CHIMICI CITOPLASMATICI REGOLANO IL CICLO CELLULARE


Se una cellula in M si fonde con una cellula in un’altra fase, la seconda inizia immediatamente la mitosi. Se la cellula è in G1, i cromosomi appaiono condensati ma non sono duplicati: appaiono come cromatidi singoli.


FLUTTUAZIONE DEI LIVELLI DI CICLINA

I livelli cellulari di ciclina mitotica aumentano durante l’interfase (G1, S, G2) e diminuiscono drasticamente durante M. La concentrazione di Cdk mitotica è costante in tutte le fasi del ciclo.

ATTIVAZIONE DELL’MPF

1. Formazione complesso CdK-ciclina inattivo

2. Una chinasi inibitoria aggiunge due gruppi fosfato (in bianco) bloccando il sito attivo del complesso

3. Una chinasi attivatoria fosforila un terzo sito sul complesso (in giallo)

4. Una fosfatasi rimuove i P inibitori e si produce la forma attiva con un solo fosfato. Tale forma stimola la fosfatasi aumentando la produzione di MPF attivo

CICLO DELLA M-Cdk (MPF)

CICLO DELLA M-Cdk (MPF): degradazione dell’involucro nucleare

MPF fosforila la lamina nucleare, il guscio di filamenti intermedi di lamina polimerizzati sottostante la membrana nucleare interna. MPF forza le molecole di lamina fosforilandole su Ser.

CICLO DELLA M-Cdk (MPF): degradazione dell’involucro nucleare

CICLO DELLA M-Cdk (MOF): fosforilazione degli istoni

MPF fosforila direttamente l’istone H1, il responsabile del compattamento dei nucleosomi nelle fibre da 30 nm,e le condensine.

E’ possibile, anche se non è stato provato, che la fosforilazione di H1 e delle condensine possa contribuire a indurre la condensazione dei cromosomi.

CICLO DELLA M-Cdk (MPF): fosforilazione del centrosoma?

L’MPF si può trovare legato saldamento ai centrosomi di una cellula viva: probabile coinvolgimento nell’organizzazione del fuso mitotico.

M-Cdk ATTIVA IL COMPLESSO CHEPROMUOVE L’ANAFASE (APC)

Il complesso APC controllo l’ingresso in anafase e l’uscita dalla mitosi attraverso la degradazione di due classi di proteine mediante poliubiquitinazione:

•l’inibitore dell’anafase (securina)

•la ciclina dell’MPF

L’ATTIVAZIONE DI APC CAUSA LADISGREGAZIONE DELLA COESINA

1)L’APC poliubiquitina la securina

2) La separasi viene attivata

3) La separasi degrada la coesina (subunità Scc1)

4) I cromatidi fratelli vengono separati

L’ATTIVAZIONE DI APC CAUSA LADISGREGAZIONE DELLA COESINA

APC POLIUBIQUITINA L’MPF

La ciclina viene de-gradata i livelli di MPF crollanoil fuso si disas-sembla e la cellulaesce dalla mitosi

CICLO DI G1-Cdk

CICLO DI G1-Cdk

E2F: fattore di trascrizione che regola l’espressione di geni coinvolti nella sintesi di DNA, indispensabili per il superamento del punto di restrizione e l’entrata in S


All’interno di molti tessuti esiste una popolazione cellulare che serve al rinnovamento del tessuto stesso, definita popolazione di cellule staminali. Le cellule staminali sono relativamente indifferenziate e si dividono attivamente.

Una parte della progenie delle cellule staminali si differenzia, svolgendo la propria funzione e andando quindi incontro a un processo di morte programmata (apoptosi). Una parte della progenie permane sotto forma di cellule staminali.


I compartimenti di cellule staminali e differenziate nella proliferazione delle cellule epiteliali intestinali

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