DIVISIONE CELLULARE NEI PROCARIOTI E NEGLI EUCARIOTI

Nelle cellule procariote la maggior parte del materiale ereditario è formato da un'unica lunga molecola circolare di DNA, a cui sono associate varie proteine.

Questa molecola, il cromosoma della cellula, si duplica prima che la cellula si divida.

Come la membrana cellulare si allunga, i cromosomi si allontanano; quando la cellula ha raggiunto circa una dimensione doppia e i cromosomi si sono separati, la cellula si ripiega verso l'interno e si forma una nuova parete cellulare che separa le due nuove cellule con i loro cromosomi.

Nelle cellule eucariote è contenuto circa mille volte più DNA che in una cellula procariota ed è lineare e forma un certo numero di cromosomi separate

Le cellule umane somatiche hanno 46 cromosomi, uno diverso dall' altro, quando si dividono ogni cellula figlia riceve una copia, e solo una, di ciascuno dei 46 cromosomi.

Inoltre le cellule eucariote contengono diversi organuli che devono essere distribuiti tra le due cellule figlie.

In una serie di fasi chiamate mitosi, una serie completa di cromosomi viene assegnata a ciascun nucleo delle cellule figlie.

La mitosi è generalmente seguita dalla citodieresi, un processo che divide la cellula in due nuove cellule, ciascuna contenete un nucleo completo di cromosomi e anche metà circa del citoplasma e degli organuli della cellula madre.

IL CICLO CELLULARE

Il ciclo cellulare può essere diviso in 5 fasi principali: G₁, S, G₂, mitosi e citodieresi.

Prima che la cellula possa iniziare la mitosi e dividersi, deve

replicare il suo DNA,

sintetizzare un buon numero di istoni e di altre proteine associate al DNA nei cromosomi,           

produrre una riserva di organuli sufficiente a due cellule figlie 

sintetizzare le strutture necessarie per procedere alla mitosi e alla citodieresi.

Questi processi preliminari avvengono durante le fasi G₁, S, G₂ che sono dette interfase.

Durante la fase S (sintesi) vengono sintetizzati molti istoni e altre proteine associate al DNA.

Durante la fase G₁, che segue la citodieresi e precede la fase S, la cellula aumenta di dimensione e i suoi enzimi, i ribosomi, i mitocondri e altre molecole aumentano di numero.

Nelle cellule contenenti centrioli i due centrioli cominciano a separarsi e a replicarsi.Ciascun centriolo di partenza dà origine a un centriolo figlio più piccolo tramite un processo di duplicazione.

Durante la fase G₂, che segue la fase S e precede la mitosi, i cromosomi appena replicati si spiralizzano e si condensano in una forma compatta che è necessaria durante la separazione dei cromosomi che avviene nella mitosi.

La cellula assembla le specifiche strutture necessarie per poter spartire un assetto completo di cromosomi tra le cellule figlie durante la mitosi e per la separazione delle due cellule figlie durante la citodieresi.

MITOSI

La funzione della mitosi è quella di dirigere gli spostamenti dei cromosomi duplicati in modo tale che ogni nuova cellula ne riceva un corredo completo.

La capacità di portare a termine questo processo dipende da come i cromosomi si condensano durante la mitosi e dalla formazione di una struttura fatta di microtuboli il fuso.

Condensazione dei cromosomi

I filamenti dei cromosomi, sintetizzati nella fase S iniziano a condensarsi.

All' inizio della mitosi ciascun cromosoma è costituito da due copie (cromatidi)

unite tra loro in una regione comune ad entrambe (centromero) in cui vi sono due strutture discoidali contenenti proteine (cinetocori) a cui sono attaccati i microtuboli del fuso.

Il fuso

Il fuso ha una struttura tridimensionale a forma di pallone da rugby costituito da due gruppi di microtuboli: fibre polari, che collegano ciascun polo del fuso con la regione mediana centrale, e le fibre del cinetocoro, che sono attaccate ai cinetocori dei cromosomi duplicati.

Contengono anche un terzo tipo di fibra più corta che si dirama dai centrioli: aster.Si pensa che possa fissare i poli del fuso alla membrana cellulare durante il processo mitotico.

-Dopo la mitosi il fuso viene smontato, viene riassemblata la rete di microtuboli del citoscheletro e la cellula torna ad avere l'aspetto tipico.

Fasi della mitosi

Il processo della mitosi può essere suddiviso in 4 fasi:

profase, metafase, anafase e telofase.

Profase

Durante la profase le coppie di centrioli si separano.

Tra le coppie di centrioli si formano i microtuboli che diventano le fibre polari del fuso.

I nucleotidi scompaiono, la membrana nucleare si disintrega man mano che i cromosomi si condensano e si disperde in frammenti membranosi.

Alla fine della profase i cromosomi sono del tutto condensati e si trovano già a contatto col citoplasma.

Le coppie di centrioli hanno raggiunto le estremità opposte della cellula e gli elementi di ciascuna coppia hanno uguale dimensione.

Metafase

Le coppie di cromatidi si muovono avanti e indietro all' interno del fuso fino quando si dispongono in modo preciso nel piano equatoriale della cellula

Anafase

I centromero si scindono contemporaneamente in tutte le coppie di cromatidi.

I cromatidi di ogni coppia si allontanano e ogni cromatido diventa un cromosoma indipendente attirato verso il polo dalle fibre del cinetocoro.

Telofase

I cromosomi hanno raggiunto i poli opposti e il fuso si disperde sotto forma di dimeri di tubulina.

Durante la tarda telofase intorno ai due assetti cromosomici si formano le membrane nucleari, mentre i cromosomi in ogni nucleo ritornano ad essere diffusi e ricompaiono i nucleoli.

Spesso un nuovo centriolo comincia a formarsi in posizione adiacente rispetto a quelli precedenti.

CITODIERESI

La citodieresi (divisione del citoplasma) solitamente accompagna la mitosi (divisione del nucleo).

Il processo inizia di solito durante la telofase mitotica e generalmente divide la cellula in due parti quasi uguali.La scissione avviene sempre lungo la linea mediana del fuso, nella regione in cui le fibre polari si sovrappongono.

La citodieresi  delle cellule vegetali e animali differisce per alcuni aspetti.

Nelle cellule animali, all' inizio della telofase la membrana cellulare comincia a restringersi lungo la circonferenza della cellula, nella zona corrispondente all'equatore del fuso. Alla fine la connessione tra le cellule figlie si riduce a un filamento che presto si strozza del tutto.

Nelle cellule vegetali il citoplasma è diviso lungo la linea mediana da una serie di vescicole prodotte dall' apparato di Golgi e contenuti polisaccaridi.

Le vescicole alla fine si fondono per formare uno spazio appiattito, limitato da una membrana,la piastra cellulare.*

Man mano che più vescicole si fondono, i bordi della piastra in formazione si uniscono alla membrana della cellula.

Tra le cellule figlie si forma uno strato di polisaccaridi che completa la loro separazione.

Questo strato alla fine si impregna di pectina e forma la lamella mediana. Ogni cellula poi costruisce la propria parete cellulare.

*[Intussusepscenza]

MEIOSI E ANOMALIE CROMOSOMICHE

La maggior parte degli organismi eucarioti, tra cui l'uomo, si riproduce sessualmente.

La riproduzione sessuata richiede di norma due genitori e comporta sempre 2 eventi: la fecondazione e la meiosi.

La fecondazione è il modo in cui i differenti contributi genetici dei due genitori si fondono insieme per formare la nuova identità genetica.

La meiosi è un tipo speciale di divisione nucleare che potrebbe essersi evoluta dalla mitosi e che utilizza gran parte della stessa organizzazione cellulare.

APLOIDE E DIPLOIDE

Ogni organismo ha un numero di cromosomi caratteristico della propria specie; in questi organismi le cellule sessuali o gameti hanno esattamente la metà del numero di cromosomi che è caratteristico delle cellule somatiche dell'organismo.

• Il numero di cromosomi presente nei gameti è detto numero aploide (corredo singolo)
• quello delle cellule somatiche è detto numero diploide (corredo doppio)
• le cellule che possiedono più di due corredi cromosomici sono dette poliploidi (molti corredi)

La cellula diploide prodotta dalla fusione di due gameti è detta zigote.

In ogni cellula diploide, per ciascun cromosoma ve ne è un altro equivalente. Queste coppie di cromosomi sono dette omologhi.

I due omologhi si somigliano, generalmente, per forma, grandezza e tipo di informazioni ereditarie.

Nella meiosi il corredo diploide dei cromosomi, che contiene i due omologhi di ogni coppia, si riduce al corredo aploide, che contiene un solo omologo di ogni coppia. La meiosi bilancia gli effetti della fecondazione che sarebbe portata a raddoppiare il numero dei cromosomi ad ogni generazione.

MEIOSI E CICLO VITALE

La meiosi si attua in momenti diversi del ciclo vitale dei differenti organismi.

Nelle felci si ha una tipica alternanza di una fase aploide con una diploide.

La comune forma visibile di una felce è lo sporofito, l'organismo diploide.

• Per meiosi gli sporofiti delle felci producono spore (aploidi)
• Esse producono delle piccole pianticelle (gametofiti)
• I piccoli gametofiti aploidi producono gameti per mitosi
• I gameti si fondono e danno poi origine a un nuovo sporofito diploide

Tale processo in cui a una fase di organismi aploidi segue una di organismi diploide e poi di nuovo aploidi, è detto alternanza di generazioni.

MEIOSI & MITOSI

Differenze

La mitosi può avvenire sia nelle cellule aploidi sia in quelle diploide, la meiosi si verifica invece solo nelle cellule diploide o poliploide.

Durante la meiosi ogni nucleo diploide si divide due volte, producendo quattro nuclei, invece i cromosomi si duplicano solo una volta prima della divisione nucleare.

In questo modo, ognuno dei quattro nuclei prodotti contiene metà del numero dei cromosomi presenti nel nucleo originale.

I nuclei aploidi prodotti per meiosi contengono nuove combinazioni di cromosomi.

FASI DELLA MEIOSI

La meiosi è costituita da 2 successive divisioni nucleari: meiosi I e meiosi II.

Meiosi I

La meiosi I si articola in:

Profase I

la cromatina si condensa e i cromosomi diventano evidenti.

i cromosomi omologhi si appaiano (lungo i cromatidi) sinapsi.

Siccome l'appaiamento coinvolge 4 cromatidi, l'insieme dei cromosomi omologhi è detto tetrade.

si verifica a questo punto il processo denominato crossing over, esso è determinato dallo scambio di segmenti di un cromosoma con segmenti corrispondenti del suo omologo (vengono spezzati dei cromatidi di un omologo e vengono scambiati con le porzioni corrispondenti dei cromatidi del secondo omologo).

Nel corso della profase gli omologhi iniziano ad allontanarsi uno dall'altro tranne che nei         punti del crossing over, zone di incrocio (chiasmi), gli omologhi permangono in stretta associazione fino alla fine della profase.

Il nucleolo e l'involucro nucleare scompaiono.

Metafase I

Le coppie di omologhi si allineano sul piano equatoriale della cellula

La regione del centromero viene duplicata

le fibre del fuso iniziano ad attaccarsi ai cinetocori.

Anafase I

gli omologhi, ognuno costituito da 2 cromatidi fratelli, si separano; tuttavia i due cromatidi non si separano come invece avviene nella mitosi.

Telofase I

gli omologhi sono migrati ai poli opposti

ogni gruppo contiene la metà del numero di cromosomi del nucleo originale

questi cromosomi possono essere differenti da ogni altro presente nella cellula d'origine a causa degli scambi avvenuti durante il crossing over

a seconda delle specie possono formarsi, o meno, involucri nucleari e può verificarsi, o meno, citodieresi

in alcune cellule animali si dividono anche i centrioli

la meiosi non si ferma qui poiché ogni cromosoma è ancora costituito da due cromatidi

Meiosi II

La meiosi II si articola in:

Profase II

l'involucro nucleare si disintrega

iniziano a ricomparire le nuove fibre del fuso

Metafase II

le coppie di cromatidi di ogni nucleo si allineano sul piano equatoriale

le fibre del fuso si associano nuovamente ai cinetocori

altre fibre del fuso si diramano ai poli

Anafase II

i cromatidi fratelli si separano

ciascun cromatidio (cromosoma) migra verso uno dei due poli

Telofase II

i microtuboli del fuso scompaiono

intorno a ogni gruppo di cromosomi si forma un involucro nucleare

i nuclei ora contengono il numero aploide dei cromosomi

si forma la parete cellulare che separa il citoplasma

le cellule aploidi cominciano a differenziarsi

MEIOSI NELLA SPECIE UMANA

La meiosi avviene negli organi riproduttivi: i testicoli nel maschio e le ovaie nella femmina.

Nel maschio

una cellula detta spermatocita primario subisce due divisioni meiotiche per produrre               4 spermatidi aploidi

ognuno dei spermatidi si differenzierà poi in uno spermatozoo

Nella femmina

le divisioni meiotiche producono nuclei aploidi

il citoplasma durante la citodieresi viene distribuito in modo diseguale sia nella meiosi I che nella meiosi II

viene prodotta una cellula uovo insieme a due o tre corpuscoli polari

i corpuscoli polari, contenenti gli altri nuclei prodotti dalla meiosi, di solito degenerano

come conseguenza della divisione diseguale la cellula uovo viene ad essere ben rifornita di strutture citoplasmatiche (ribosomi, mitocondri, enzimi e sostanze di riserva) importanti per la crescita dell'embrione

IL CARIOTIPO UMANO

Nella specie umana il numero dei cromosomi è 46,

44 sono autosomi (cromosomi uguali nel maschio e nella femmina)

2 sono cromosomi sessuali (XX nella femmina e XY nel maschio)

Una rappresentazione grafica dei cromosomi presenti nel nucleo di una singola cellula somatica è detta cariotipo da cui possiamo determinare:

numero, grandezza e forma dei cromosomi

i cromosomi di dimensione simile

omologhi

Anomalie cromosomiche

Alcuni difetti genetici sono causati da anomalie nel numero o nella struttura dei cromosomi così gravi da essere rilevanti nel cariotipo.

In genere a causa di errori durante la meiosi / mitosi, i cromosomi omologhi o i loro cromatidi possono non separarsi (non - disgiunzione)

Questo fenomeno, nella meiosi, produce gameti con uno o più cromosomi in eccesso e altri gameti con uno o più cromosomi in difetto.

Un gamete con cromosomi in difetto, a meno che il cromosoma mancante sia sessuale, non può produrre un embrione vitale.

Molto raramente una cellula con cromosomi in eccesso può produrre un embrione vitale

Individui con autosomi soprannumerari manifestano:

Morte prematura

Ritardi mentali

Sterilità

Anomalie al cuore e ad altri organi

Altre anomalie visibili nel cariotipo sono:

Delezione: perdita di un frammento di un cromosoma

Traslocazione: il frammento perso da un cromosoma viene trasferito ad un altro

Sindrome di down

E' una delle più note condizioni prodotte da un'anomalia negli autosomi.

La sindrome di down insorge quando:

Un individuo eredita tre coppie del cromosoma 21 invece di due.

o           Nel 95% dei casi la causa è la non-disgiunzione durante la formazione del gamete di un genitore.

T         Ne consegue un assetto di 47 cromosomi con un cromosoma 21 soprannumerario

o           Può essere causata anche dalla traslocazione dei cromosomi di uno dei genitori

T         Terzo cromosoma 21 attaccato a un cromosoma più grande (14)

T         L'individuo possiede 46 cromosomi ma risente delle caratteristiche funzionali prodotte da un terzo cromosoma 21

T         Solitamente si ha un genitore con 45 cromosomi ma fenotipicamente normale.Un cromosoma è però formato da gran parte del cromosoma 14 e21 uniti insieme.

Le possibili combinazioni cromosomiche dei figli sono:

3 su 6 sono letali

1 su le altre 3 sindrome di down

1 sarà normale

1 sarà portatrice della traslocazione 14/21

T         possibilità di avere altri figli infetti dalla sindrome di down

T         possibilità di avere metà dei figli normali ma portatori sani della traslocazione

Caratteristiche della sindrome di down:

Insieme di effetti anomali si verificano contemporaneamente

corpo basso,

collo grosso,

ritardo mentale (più o meno grave),

lingua larga T difficoltà nel linguaggio,

maggiore sensibilità alle infezioni,

anomalie al cuore e ad altri organi

Anomalie nei cromosomi sessuali

La non-disgiunzione può produrre anche individui con un numero anomalo di cromosomi sessuali

Una combinazione XY nella 23^a coppia produce caratteristiche maschili

XXY sindrome di Klinefelter

XXXY e XXXXY maschi sessualmente sviluppati e sterili

XXX femmine a volte normali

XXX e XO (un solo cromosoma X) sindrome di Turner provoca sterilità

Delezioni di cromosomi

Delezioni cromosomiche possono dare origine a difetti congeniti o malattie

Delezione del "braccio" corto del cromosoma 11 porta il tumore di Wilms (cancro al rene)

Associata a tale delezione vi è una particolare condizione detta aniridia (assenza congenita dell'iride dell'occhio)

Può essere curato il tumore allo stadio precoce, prima che si siano evidenziati i sintomi.

Diagnosi  parentale

Un indagine diagnostica, l'amniocentesi, rende possibile nel feto la diagnosi della sindrome di Down e di un certo numero di altre anomalie genetiche.

Un sottile ago viene inserito nella parete addominale materna e nelle membrane che contengono il feto e viene aspirato un campione del liquido amniotico che circonda il feto.

Il liquido amniotico contiene cellule di sfaldamento del feto e tali cellule, coltivate in vitro, producono cellule in mitosi dalle quali può essere ricavato il cariotipo.