Pubblicato da La genetica è la scienza che studia le caratteristiche ereditarie degli organismi e la loro trasmissione.
I ruoli chiave della divisione cellulare
Anche dopo il completamento dello sviluppo dell'organismo, la divisione cellulare continua ad avere un ruolo importante perchè serve a sostituire cellule morte per invecchiamento o cellule danneggiate.La divisione cellulare implica la distribuzione dello stesso materiale genetico, il DNA, alle 2 cellule figlie.
Il patrimonio genetico complessivo del DNA di una cellula costituisce il genoma.
I genomi eucariotici hanno un numero variabile di molecole di DNA.
Prima della divisione cellulare, tutto il DNA deve essere copiato, e le 2 copie devono essere separate in modo che le 2 cellule figlie possiedano un genoma completo.
Le molecole di DNA sono impacchettate all'interno di cromosomi, ed ogni specie eucariotica possiede un numero preciso di cromosomi all'interno del nucleo cellulare, nelle cellule somatiche umane i cromosomi sono 46, mentre nelle cellule riproduttive (gameti), i cromosomi sono 23.
In ogni cromosoma si trova una molecola di DNA che contiene centinaia o migliaia di geni.
Il DNA è associato a proteine che mantengono la struttura cromosomica e contribuiscono al controllo dell'attività dei geni, e questa associazione organizzata lungo un filamento sottile è detta cromatina.
Dopo che la cellula ha duplicato il DNA, la cromatina si condensa e presenta una zona di restringimento in prossimità di una zona specializzata chiamata centromero.
Ogni cromosoma dopo la replicazione è costituito da 2 cromatidi fratelli, che dopo la separazione si allontanano formando 2 set completi di cromosomi in 2 nuovi nuclei.
La mitosi è la divisione del nucleo, che viene solitamente seguita dalla citocinesi, la divisione del citoplasma.
Dopo queste sequenze, da una cellula sono nate 2 nuove cellule.
Durante la riproduzione, Il figlio eredita 46 cromosomi, 23 da ciascun genitore, che si combinano nel nucleo di una singola cellula, quando uno spermatozoo del padre si unisce ad una cellula uovo della madre per formare un uovo fecondato (zigote).
La riproduzione dei gameti avviene attraverso la meiosi, che porta alla produzione di cellule figlie che possiedono la metà dei cromosomi della cellula genitrice.
La meiosi avviene solo nelle gonadi (ovaie e testicoli).
Il ciclo cellulare mitotico
La mitosi è solo una parte del ciclo cellulare.
Prima che avvenga di nuovo la mitosi c'è una fase più lunga, l'interfase, che occupa circa il 90% del ciclo.
Durante l'interfase la cellula cresce e copia i suoi cromosomi per prepararsi alla divisione.
L'interfase può essere suddivisa in 3 sottofasi: fase G1 primo intervallo, fase S e fase G2 (secondo intervallo).
Durante le sottofasi, la cellula cresce sintetizzando proteine e producendo organuli, mentre i cromosomi sono duplicati solo nella fase S.
Una cellula quindi cresce nella fase G1, continua a crescere mentre copia i cromosomi nella fase S, completa la sua crescita preparandosi alla divisione nella fase G2 e si divide nella fase M.
La mitosi è divisa quindi in 5 fasi: Profase, prometafase, metafase, anafase, telofase.
Molti degli eventi della mitosi dipendono dal fuso mitotico, una struttura costituita da fibre di microtubuli associati a proteine.
La costruzione dei microtubuli del fuso inizia a livello del centrosoma, un organulo non membranoso, il quale necessita della demolizione di parte dei microtubuli del citoscheletro perchè ci sia abbastanza materiale per la sua costruzione.
Quando inizia la mitosi i 2 centrosomi sono posizionati in prossimità del nucleo, e si allontanano durante la profase e la prometafase, producendo i microtubuli del fuso.
Prima della fine della prometafase i 2 centrosomi si trovano ai poli opposti della cellula e prendono il nome di poli del fuso.
Ciascuno dei 2 cromatidi di un cromosoma possiede un cinetocoro, una struttura fatta di proteine e da certe porzioni di DNA cromosomico centrometro.
Durante la prometafase 1 dei 2 cinetocori viene ancorato da microtubuli del fuso, successivamente i microtubuli del polo opposto si legano all'altro cinetocoro, facendo una specie di tiro alla fune, che termina in parità lasciando il cromosoma al centro.
Nella metafase, i microtubuli che non si attaccano si sovrappongono e i centrometri di tutti i cromosomi duplicati si trovano su un piano chiamato piastra metafasica, a metà strada tra i 2 poli.
Durante l'anafase i cromatidi divenuti cromosomi vengono separati e si muovono verso i poli opposti della cellula, al termine di questa fase si trovano ai poli opposti e la cellula si è allungata lungo il proprio asse polare.
I nuclei si riformano durante la telofase, e successivamente inizia la citocinesi.
La citocinesi avviene tramite la scissione, che inizia con la comparsa di un solco di scissione, che inizia ad apparire come una leggera fessura sulla superficie della cellula vicino alla vecchia piastra metafasica, successivamente il solco si approfondisce fino a strozzare in 2 la cellula madre e a produrre 2 figlie completamente separate.
Sul lato citoplasmatico del solco si trova un anello contrattile di microfilamenti costituiti da actina e miosina, che contraendosi creano il solco.
E' probabile che la mitosi abbia avuto origine nei meccanismi più semplici della riprozione cellulare batterica, difatti i procarioti si riproducono mediante la scissione binaria e la maggior parte dei geni batterici è contenuta in un unico cromosoma batterico.
La regolazione del ciclo cellulare
Tipi cellulari diverse presentano frequenze differenti di divisioni cellulare, e ad esempio, le cellule nervose e le cellule muscolari di un uomo adulto non si dividono mai.La sequenza di eventi del ciclo cellulare è diretta da uno specifico sistema di controllo del ciclo cellulare, un'insieme di molecole ciclicamente attive all'interno della cellula, che innesca e coordina gli eventi chiavi del ciclo.
Questo sistema di controllo funziona in modo indipendente, guidato da un orgologio incorporato, ed è sottoposto a regolazione esterna ed interna.
Un punto di controllo di un ciclo cellulare è un punto critico attraverso il quale i segnali di arresto ed inizio possono attraversare il ciclo.
Questi segnali indicano che fino a quel punto sono stati completati correttamente i processi cellulari, e se è necessario o meno far ripartire il ciclo cellulare.
I 3 punti di controllo principale si trovano nella fase G1, G2 e M.
Per molte cellule il punto più importante sembra essere il G1, detto punto di restrizione.
Se la cellula non riceve nessun segnale esce dal ciclo ed entra in uno stato in cui non si divide, chiamato fase G0 (la maggior parte delle cellule del corpo umano è in questa fase).
Le molecole di regolazione sono di tipo proteina cinasi, cioè enzimi che attivano o inattivano altre proteine attraverso la fosforilazione.
La cinasi per attivarsi deve legare una ciclina, formando cinasi ciclina-dipendenti (Cdk).
L'attività della Cdk aumenta o diminuisce a seconda della concentrazione di ciclina.
L'MPF è un complesso di cdk ed è un fattore che spinge la cellula ad oltrepassare il punto di controllo G2 per entrare nella fase M, agendo sia direttamente che indirettamente, e dopo la fase M, l'MPF si autodisattiva.
La porzione enzimatica dell'MPF, la Cdk, rimane inattiva fino a che non si lega con la ciclina in un nuovo ciclo.
Segnali interni
Un segnale che ritarda l'anafase si origina dai cinetocori che non si sono ancora attaccati ai microtubuli di fuso, quando alcune proteine innescano una via di segnalazione che mantiene inattivo un complesso di promozione dell'anafase (APC), e questo segnale di attesa cessa solo quando tutti i cinetocori si sono attaccati al fuso.
L'APC diventa quindi attivo e innesca indirettamente la degradazione della ciclina e l'inattivazione delle proteine che tengono uniti i cromatidi fratelli.
Segnali esterni
Un fattore di crescita è una proteina rilasciata da alcune cellule che stimola la divisione di altre cellule.
Le cellule di mammifero si dividono in coltura solo se il terreno contiene fattori di crescita specifici, e in generale, ogni tipo di cellula risponde a certi fattori di crescita o a combinazioni di essi.
L'inibizione densità-dipendente è un fenomeno che consiste nell'arresto della divisione dovuto all'affollamento cellulare.
Se ad esempio alcune cellule vengono rimosse dalla coltura lasciando uno spazio, le cellule vicine si duplicano fino a che non colmano quello spazio.
La dipendenza all'ancoraggio si ha quando per dividersi una cellula deve essere ancorata ad un substrato, come la superficie interna del recipiente di coltura o la matrice extracellulare di un tessuto.
Le cellule tumorali
Le cellule tumorali sono cellule che si dividono eccessivamente sfuggendo al controllo dell'organismo, invadendo anche altri tessuti, se non controllate possono uccidere l'intero organismo.
Esse infatti ignorano i normali segnali che regolano il ciclo cellulare, non mostrano inibizione da contatto e non hanno bisogno di fattori di crescita nel mezzo di coltura.
Possono infatti produrre autonomamente un determinato fattore di crescita e possono anche presentare anomalie nel sistema di controllo del ciclo, cessando di dividersi in punti casuali del ciclo.
Le normali cellule si dividono solamente dalle 20 alle 50 volte prima di morire, quelle tumorali invece se continuamente nutrite possono dividersi all'infinito, sono immortali.
La trasformazione della cellula si ha quando questa viene convertita da normale in tumorale, cellula che riesce a sfuggire al controllo immunitario, che normalmente distrugge gli organismi estranei.
Il tumore è una massa di cellule anormali all'interno di un tessuto per il resto normale.
Il tumore benigno si ha quando le cellule anormali rimangono nel loro sito d'origine, in tal caso quella parte può venir rimossa chirurgicamente.
Il tumore maligno si ha quando le cellule anormali si diffondono nell'organismo danneggiando le funzioni di uno o più organi.
Il cancro è sinonimo di tumore maligno.
Queste cellule inoltre possono avere un numero insolito di cromosomi e il loro metabolismo può essere sconvolto, e a causa delle modificazioni della superficie cellulare, perdono il contatto con altre cellule simili e col substrato extracellulare, diffondendosi nei tessuti vicini.
Queste cellule possono anche separarsi dal tumore originale ed entrare nei vasi sanguinei, invadendo altre zone del corpo, generando altri tumori, in un fenomeno chiamato metastasi.
La metastasi viene di solito curata con radiazioni ad alta energia, molto dannose per le cellule che si dividono attivamente.
Le cause del cancro sono varie, ma la trasformazione cellulare implica sempre l'alterazione di geni che influenzano il sistema di controllo del ciclo cellulare.
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