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CELLULA La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Ogni cellula deriva da un’altra cellula. TEORIA CELLULARE ROBERT HOOKE Il primo ad indagare la cellula fu Robert Hooke nel Seicento, che elaborò la teoria cellulare. Robert...

CELLULA La cellula è l’unità fondamentale di tutti gli organismi viventi. Tutti gli organismi sono costituiti da cellule. Ogni cellula deriva da un’altra cellula. TEORIA CELLULARE ROBERT HOOKE Il primo ad indagare la cellula fu Robert Hooke nel Seicento, che elaborò la teoria cellulare. Robert Hooke fu il primo ad utilizzare un microscopio primitivo per osservare delle sottili sezioni di sughero. Scoprì che questa pianta era costituita da varie cellette. I n realtà Hooke non “vide” e non descrisse delle cellule, ma solamente quello che delle cellule rimane nel sughero, cioè la sola parete cellulare, “vuota”. LA TEORIA CELLULARE (Schleiden e Schwann) La teoria cellulare venne elaborata da Schleiden e Schwann. Schleiden fu un botanico che sostenne e difese la tesi che le cellule sono unità di struttura, di funzione e di organizzazione degli esseri viventi. à ambito vegetale Schwann, fisiologo e zoologo, studiando al microscopio la struttura della corda dorsale della larva di rana, scopri che erano simili alle celle osservate da Schleiden. à ambito animale Questi due scienziati confrontarono le loro osservazioni ed elaborarono successivamente una teoria generale della cellula come unità fondamentale di struttura e di funzione nei sistemi viventi. Virchow affermò che tutte le cellule di un organismo derivano da cellule preesistenti: “omnis cellula e cellula”. Inoltre, capì che talvolta le patologie dipendono dall’ammalarsi delle cellule. TEORIA CELLULARE Tutti gli organismi viventi sono costituiti da uno o più cellule. La cellula è l’unità fondamentale di struttura e funzione del vivente. Tutte le cellule derivano da cellule preesistenti, la cellula è l’unità fondamentale di riproduzione. 31 I VIRUS I virus sono organismi viventi non cellulari che non hanno struttura e organizzazione cellulare. Possiedono un proprio patrimonio genetico ma non sono in grado di riprodursi autonomamente, hanno bisogno di infettare altre cellule per farlo, e non sono auto-regolabili. IL MICROSCOPIO EVOLUZIONE DEL MICROSCOPIO Il microscopio ottico è uno strumento in grado di migliorare l’ingrandimento e il potere di risoluzione dell’occhio umano. All’inizio dell’800 ci fu una svolta nello studio della cellula: vennero introdotti i primi microscopi ottici in grado di migliorare l’ingrandimento e il potere di risoluzione dell’occhio umano. Grazie a questo nuovo strumento si è arrivati a definire che ogni organismo vivente, animale e vegetale, è costituito da tessuti costituiti da cellule, invisibili a occhio nudo. Si è visto anche che all’interno delle cellule c’è una parte più piccola, definita nucleo, circondato da una parte, che hanno definito citoplasma. Il microtomo è uno strumento che permette di tagliare i preparati in fettine molto sottili. Con il microscopio elettronico si ebbe una svolta perché ha una risoluzione nettamente migliore rispetto a quello ottico. UNITÀ MICROSCOPICHE Micrometro (μm) = millesima parte del millimetro (10-3 mm). Nanometro (nm) = millesima parte del micrometro (10-6 mm) Angstrom (Å) = decima parte del nanometro (10-7 mm) LA CELLULA Ci sono due tipi di cellule: eucariote e procariote. - Cellula procariote à formano i batteri e le alghe azzurre (o ciano batteri). - Cellula eucariote à formano 4 regni: protisti, fungi, piante, animali. 32 CELLULA PROCARIOTE I batteri sono organismi unicellulari piccolissimi (mμm – μm) classificati in base alla loro forma. Non hanno il nucleo, il DNA è una doppia elica circolare. La cellula procariote è composta da: parete cellulare, membrana citoplasmatica, meso somi, citoplasma, nucleotide (DNA), ribosomi (RNA proteine). Ci sono altri organuli che però non sono presenti tutte le cellule: capsule, flagelli pili. CELLULA EUCARIOTE La cellula eucariote è composta da: - Matrice extracellulare - Membrana cellulare - Nucleo - Citoplasma: all’interno del quale sono presenti tutti gli organuli. MATRICE EXTRACELLULARE Le principali componenti che la matrice extracellulare sono glicoproteine prodotte dalla cellula stessa, le più importanti sono: collagene e fibronectina. Collagene: proteina che forma robuste fibre all’esterno delle cellule. Infatti, costituisce circa la metà delle proteine che compongono il corpo umano. Ogni molecola collagene è formata da 3 proteine elicoidali incastrate tra loro, queste molecole nella matrice formano una sorta di rete e in ciascun nodo di formano legami a idrogeno. Fibronectina: importante perché interagisce con le integrine, proteine recettoriali localizzate sulla membrana plasmatica capaci di attraversarla legandosi al citoscheletro cellulare. Alcune ricerche hanno evidenziato che fibronectine e integrine hanno un ruolo fondamentale nella regolazione delle attività vitali delle cellule da parte della matrice cellulare. 33 SISTEMI DI ADESIONE INTER CELLULARE Le cellule di un organismo vivente sono organizzate in tessuti, organi, apparati. Cellule vicine aderiscono, interagiscono e comunicano tra loro mediante speciali dispositivi di contatto fisico. In particolare, nei tessuti epiteliali sono presenti tutti i tipi di contatti intercomunicanti: Giunzioni cellulari: o giunzioni gap, formano canali citoplasmatici tra cellule adiacenti. Particolari proteine di membrana circondano ogni poro, il cui diametro è ampia sufficienza per il transito di ioni, Sali, zuccheri, aminoacidi e altre piccole molecole. Giunzioni occludenti: formano cinture continue attorno alle cellule impedendo la dispersione di fluido extracellulare. Es. Quelle situate nell’epitelio intestinale mantengono separati contenuto intestinale e fluidi corporei. Desmosomi: o giunzioni di ancoraggio, sono fascetti di filamenti intermedi, formati da cheratina (proteina robusta che li rinforza). Funzionano come punti di unione, mantenendo le cellule strettamente aderenti. MEMBRANA CELLULARE La membrana plasmatica serve a delimitare l’interno della cellula rispetto all’ambiente esterno: è un contenitore di tutte le macromolecole organiche presenti dentro la cellula. Ma anche altre funzioni, infatti ogni membrana di un determinato tessuto ha una propria composizione proteica. Le membrane hanno una struttura proteica correlata alla funzione svolta dalla cellula stessa. 1. Doppio stato di fosfolipidi 2. Code idrofobe rivolte verso l’esterno 3. Teste idrofile rivolte verso l’interno 4. Proteine di membrana intrinseche 5. Proteine di membrana estrinseche La membrana plasmatica è composta da: - Doppio stato di fosfolipidi: i fosfolipidi sono costituiti da teste idrofile e polari all’interno (attraggono l’acqua) e code idrofobe e apolari all’esterno (respingono l’acqua). - Proteine di vario tipo: proteine di membrana intrinseche e proteine di membrana estrinseche. 34 La membrana ha uno spessore di circa 70-90 Å ed è composta da: lipidi, proteine e carboidrati. Lipidi à funzione strutturale: formano il doppio strato fosfolipidico. Proteine à funzione funzionale: le funzioni della membrana dipendono dalle proteine. Carboidrati à funzione recettoriale: i carboidrati sono coinvolti nelle funzioni dei recettori di membrana Lipidi: (fosfolipidi e colesterolo). I fosfolipidi sono disposti a formare un doppio strato, con le teste esposte alla superficie della membrana e le code rivolte le une verso le altre nello stato più profondo della membrana, nel quale si collocano anche le molecole di colesterolo, che si ritiene contribuiscano a stabilizzare la struttura interna della membrana ed a renderla maggiormente plastica. Le molecole di colesterolo garantiscono quindi fluidità. La percentuale di colesterolo può variare in base al tipo di tessuto Proteine: sono inserite con grado di penetrazione differente nel doppio stato fosfolipide. Le funzioni specifiche della membrana dipendono in gran parte dalle proteine che sono presenti al suo interno e sulla superficie. Carboidrati: sono costituiti da catene, più o meno lunghe e ramificate, di monosaccaridi che si trovano sulla superficie esterna della membrana citoplasmatica; possono essere legati alle proteine e vengono eletto glicoproteine o ai fosfolipidi e vengono detti glicolipidi. I carboidrati sono coinvolti nella struttura e nelle funzioni dei cosiddetti recettori di membrana, che riconoscono sostanze specifiche (permettendo alla cellula di ricevere i messaggi chimici da diversi organi o di ricevere molecole esogene o altre cellule) e possono rilevare variazioni della composizione chimica dell’ambiente circostante. NUCLEO Il nucleo è la parte centrale delle nostre cellule, contiene il DNA e quindi costituisce la parte direzionale 1. Membrana esterna 2. Membrana interna 3. Pori nucleari 4. Spazio perinucleare 5. Reticolo endoplasmatico rugoso, RER 6. Nucleolo 7. Ribosomi Carioteca: o involucro nucleare, composto da due membrane separate da uno spazio perinucleare. Pori nucleari: pori che si aprono nell’involucro nucleare per permettere il passaggio di molecole tra il nucleo e il citoplasma. Nucleolo: (1-4 per ogni nucleo), è la sede dove avviene la sintesi dell’rRNA e l’assemblaggio dei ribosomi, per unione del rRNA con alcune proteine. 35 CITOPLASMA Il citoplasma è la parte della cellula che si trova tra la membrana e il nucleo. È il luogo in cui avvengono molte reazioni chimiche e fondamentali per la vita della cellula ed è composto da due parti principali: gli organelli e il citosol. Citosol: parte fluida, composta principalmente da acqua, sali e proteine. Organelli: mitocondri, RER, SER, apparato di Golgi, vescicole secretorie, lisosomi, perossisomi, ribosomi. MITOCONDRI I mitocondri: sono le centrali energetiche delle cellule perché sintetizzano la maggior parte dell’ATP, all’interno avvengono il ciclo di Krebs, la fosforilazione ossidativa e la beta ossidazione (ossidazione acidi grassi). Sono costituiti da una membrana esterna (1), in cui è presente la carnitina*, e da una interna (2), che forma le creste mitocondriali (3) (ne aumentano la superficie) che servono a contenere delle particelle: i 4 complessi della fosforilazione ossidativa(4.B), parte finale dell’ossidazione delle macromolecole. Tra le due membrane c’è la matrice mitocondriale (4.A), un liquido denso, che contiene gli enzimi del ciclo di Krebs e della beta ossidazione e quelli che preparano substrati per la fosforilazione ossidativa. In questa matrice sono presenti degli organuli: i granuli osmofili (5), accumuli di sostanza di cui non si conosce la funzione. *carnitina: trasporta i lipidi, soprattutto gli acidi grassi) nei mitocondri. È presente nella carne ma può essere anche sintetizzata dalle nostre cellule partendo da amminoacidi. I mitocondri sono in numero maggiore nelle cellule che consumano un maggior numero di energia (tessuto muscolare, miocardio e cellule neuronali). Le uniche cellule a non avere i mitocondri sono i globuli rossi. Nei mitocondri sono presenti: molecole di DNA, necessaria per contenere l’informazione per la produzione di mRNA per sintetizzare proteine mitocondriali, i ribosomi e gli enzimi necessari per la sintesi B delle proteine. Questi organuli si originano solo da altri mitocondri attraverso un processo di divisione con la fusione di una cresta, che separa l’organulo in due compartimenti; oppure per un processo di strozzatura. 36 RETICOLO ENDOPLASMATICO Il reticolo endoplasmatico è una complessa rete intrecciata di sacche, tuboli e canali che attraversa il citoplasma, dividendolo in numerosi compartimenti collegati tra loro e di numero e dimensioni variabile da cellula a cellula. Nelle cellule del fegato abbiamo un’abbondanza di reticolo endoplasmatico sia liscio che rugoso. Ce ne sono due tipi: - rugoso (RER): sulle membrane si trovano numerosi ribosomi. - liscio (SER): non ha i ribosomi. RETICOLO ENDOPLASMATICO RUGOSO (RER) È chiamato rugoso perché sulla membrana sono presenti numerosi ribosomi. La funzione del RER è svolgere la sintesi delle proteine che possono essere destinati a vari scopi: alcune verranno inviate al nucleo, altre verranno secrete e altre ancora rimarranno nella cellula. Svolge questo compito grazie ai ribosomi presenti sulla sua membrana esterna. RER (1): mitocondri (2), apparato di Golgi (3), nucleo (4), pori nucleari (5), nucleolo (6). RETICOLO ENDOPLASMATICO LISCIO (SER) È chiamato liscio perché non ha ribosomi sulla membrana. La funzione del SER è sintetizzare i lipidi e derivati, il glicogeno e i carboidrati. Inoltre, è coinvolto nei processi di trasformazione dei prodotti chimici esogeni, soprattutto nel fegato. SER (1): mitocondri (2), RER (3), lisosoma (4), granuli (5), rosette di glicogeno(6). Nel SER sono presenti le rosette di glicogeno: hanno il compito di sintetizzare il glicogeno (polimero del glucosio). Gli zuccheri in gran parte vengono utilizzati come energia, ma una piccola parte viene depositata come riserva nel fegato. Quando le rosette abbondano il nostro fegato, vengono depositate nel tessuto adiposo sotto forma di lipidi. Questo perché i lipidi sono incamerabili in un tessuto detto adiposo, per questa ragione la sintesi dei lipidi può andare avanti all’infinito finché non abbiamo il collasso delle strutture interne (come nei casi di gravi obesità). 37 APPARATO DI GOLGI L’apparato di Golgi è costituito da un complesso di “pile” di sacchetti membranosi appiattiti, limitati da membrane e circondati da tubuli e da altre vescicole, e addossati uno contro l’altro in alcune regioni del citoplasma. L’apparato di Golgi è in stretta relazione con il RER: riceve da questo le proteine e i lipidi sintetizzati, li modifica chimicamente e li ingloba in vescicole che poi vengono distribuite in altre parti della cellula e verso la superficie cellulare. Alcune vescicole si muovono verso la membrana cellulare dove, fondendosi con essa, liberano successivamente il loro contenuto all’esterno (processo di esocitosi). 1. Corpi di Golgi 2. Tubuli che connettono le cisterne 3. Cisterne 4. Vescicola in formazione 5. Vescicole secretorie formate LISOSOMI E PRESSORI 1. Lisosomi 2. Perossisomi 3. Mitocondri 4. Apparato di Golgi 5. SER 6. RER LISOSOMI Lisosomi primari: sono organuli grigi di forma sferica, hanno una sola membrana. Hanno origine dall’apparato di Golgi. Sono una sorta di sacchetti che contengono enzimi necessari per la digestione cellulare: si fondono alle vescicole che contengono macromolecole e le degradano. Lisosomi secondari: lisosoma primario + molecola danneggiata da digerire, sono organuli sferici di colore grigio con macchie intense (molecola da digerire). Sono la sede del processo di autofagia. 38 I lisosomi svolgono il processo di autofagia: è un processo di degradazione con cui una cellula sacrifica alcune sue parti (solitamente quelle danneggiate) e le ricicla per garantire funzioni indispensabili. Quando un lisosoma aggredisce un altro organulo o una piccola porzione di citosol. Gli enzimi lisosomiali scindono il materiale inglobato e i monomeri organici così ottenuti tornano successivamente liberi nel citoplasma per essere riutilizzati. I lisosomi primari si inglobano le vescicole contenenti il materiale da degradare, formando i lisosomi secondari che degradano la molecola. PEROSSISOMI I perossisomi sono vescicole sferiche a membrana singola, di colore grigio con macchie poco intense. Contenenti enzimi litici e due enzimi caratteristici di questi organelli: le perossidasi e la catalasi. Nei perossisomi ci sono regioni densamente osmiofile o anche piccole formazioni cristalline (macchie poco intense) di cui non si conosce ancora la funzione. L’attività degli enzimi litici produce perossido di idrogeno (H2 O2), una sostanza tossica per la cellula, che viene però decomposta in acqua e ossigeno da perossidasi e catalasi. I perossisomi contengono enzimi in grado di trasferire idrogeno da varie sostanze e di legarlo all’ossigeno con formazione di molecole di perossido di idrogeno. Queste reazioni possono avere diverse funzioni: 1. Alcuni usano l’ossigeno per scindere gli acidi grassi in molecole più piccole, che possono essere trasferite nei mitocondri e utilizzate come combustibile 2. Funzione detossificante nei confronti di alcool e composti nocivi, trasferendo l’idrogeno di tali sostanze all’ossigeno. LIPID DROPLETS 1. Mitocondri 2. Lipid droplets 3. Materiale citoplasmatico che le separa 4. Microfilamenti che le circondano 5. SER che separa le droplets 6. RER 39 Le droplets si generano al livello del SER: in alcuni punti della membrana del SER si inseriscono lipidi neutri (soprattutto trigliceridi e colesterolo). Alla fine, ci sono talmente tanti lipidi che si formano i lipid droplets. Una volta maturato si stacca dalla membrana del SER. Le lipid droplets sono presenti in tutte le cellule del nostro corpo. Servono a garantire una riserva intracellulare immediata di lipidi neutri. Quando ci nutriamo e arriva una quantità eccessiva di acidi grassi, questi diventano trigliceridi (legandosi al glicerolo), si inseriscono nella membrana del SER e formano lipid droplets. L’ ATGL è la lipasi principale del processo che ci permette di utilizzare i trigliceridi che abbiamo immagazzinato; infatti, i lipid droplets sono organuli dinamici (movimento togli-metti). CITOSCHELETRO Il citoscheletro è un reticolo di fibre distribuite attraverso l’intero citoplasma. La funzione del citoscheletro è quella di mantenerne costante la forma e fornire un ancoraggio per i vari organuli e persino per molecole enzimatiche del citosol. Il citoscheletro è inoltre responsabile della motilità di numerosi tipi cellulari, perché alcune nostre cellule sono in grado di muoversi. Può essere rapidamente smantellato in una determinata parte della cellula e ricostituito in una nuova disposizione, in modo da conferire alla cellula un diverso assetto o da realizzare uno spostamento; questo è utile anche durante la divisione cellulare. Nelle cellule muscolari il citoscheletro, costituito essenzialmente da filamenti di actina e di miosina rende possibile la contrazione dei fasci di fibre, quindi del muscolo. Le vescicole citoplasmatiche si spostano verso la loro specifica destinazione lungo “binari” forniti dal citoscheletro (si veda successivamente l’esempio del trasporto assonale delle cellule neuronali). Il citoscheletro è formato da 3 tipi diversi di strutture fibrillari: - Microtubuli e Centrioli à i più grandi - Microfilamenti - Filamenti intermedi 40 MICROTUBULI I microtubuli sono costituiti da sottili tubicini (diametro: circa 25-30 nm) che svolgono varie funzioni, tra le quali ricordiamo la costituzione del citoscheletro (uno scheletro di sostegno per la cellula) e il coinvolgimento nel processo di divisione cellulare (“fuso”). Ciascun microtubulo è costituito da 13 protofilamenti proteici, la cui unità molecolare è la tubulina. CENTRIOLI I centrioli sono dei corti cilindri di circa 250 nm di diametro, costituiti da 9 triplette di microtubuli. Sono importanti per l’organizzazione del fuso, una struttura costituita da microtubuli, che compare durante il processo di divisione della cellula eucariote. Si formano durante mitosi e meiosi. MICROFILAMENTI I microfilamenti sono fibre proteiche sottili (diametro: circa 5-12 nm) che, insieme ai microtubuli, forniscono una struttura e un supporto meccanico al citoplasma della cellula, e sono coinvolti nei movimenti (contrazioni) cellulari. Sono spesso presenti in “fasci”, di lunghezza e spessore variabili. I due tipi più importanti di microfilamenti sono quelli costituiti da miosina e quelli formati da actina. La contrazione muscolare, ad esempio, avviene per effetto dello “scivolamento dei due tipi di filamenti, capaci di scorrere gli uni rispetto agli altri, con il risultato di un accorciamento o allungamento dell’intero fascio di fibre. FILAMENTI INTERMEDI Devono il loro nome al loro diametro che risulta essere intermedio tra quello dei microtubuli e dei microfilamenti. Ogni tipo di filamento intermedio è costituito da una diversa subunità molecolare appartenente ad una famiglia di proteine, definite cheratine. I filamenti intermedi sono particolarmente importanti per consolidare la forma tipica di una cellula e nel fissare la posizione di certi organuli all’interno di essa. Es. il nucleo è situato e mantenuto in una determinata posizione da fasci di filamenti intermedi che si estendono nel citoplasma. 41 CICLO CELLULARE La capacità degli organismi viventi di riprodursi è la caratteristica che li distingue in modo evidente dalla materia inanimata. Nel 1885 Rudolf Virchow usò questa definizione “Omnis cellula e cellula” per indicare che il perpetuarsi della vita si basa sulla riproduzione delle cellule o divisione cellulare. Negli organismi unicellulari la divisione cellulare corrisponde con la riproduzione dell’organismo. Invece, nell’uomo si fa una distinzione sulla funzione della divisione cellulare (mitosi): - Se in fase di sviluppo: formazione e accrescimento dei tessuti - Se adulto: rinnovamento e riparazione dei tessuti La divisione cellulare (meiosi) consente agli organismi che si riproducono sessualmente di formare i gameti dalla cui unione avrà origine un nuovo organismo vivente. In vitro: la durata del ciclo cellulare è costante: tra le 10 e le 30 ore. In vivo: la durata del ciclo cellulare è variabile, dipende dal tessuto: da 10 ore fino alle 200 ore. Le variazioni della durata del ciclo cellulare di una cellula dipendono dalla lunghezza della fase G1. Mentre le altre fasi hanno tempi abbastanza costanti: 6-8 ore per fa se S, 4-6 ore per la fase G2 e circa 1 ore per la fase M. à per le cellule che fanno la mitosi (cellule somatiche). Mentre negli embrioni il ciclo è più breve: fase G1 è molto breve o non c’è, la fase G2 è molto ridotta e la fase S può iniziare anche prima che la mitosi siamo completata (durante la telofase). FASI: 1. Interfase: più del 90% della vita di una cellula, inizia quando la nuova cellula si forma e finisce quando inizia a dividersi L’interfase è divisa a sua volta in altre fasi: o Fase G1 (gap) o Fase S (sintesi) à replicazione DNA o Fase G2 (gap) 2. Divisione cellulare (Fase M): è la fase di riproduzione della cellula, ci sono due processi in base al tipo di cellula (mitosi o meiosi) 42 INTERFASE LE FASI DELL’INTERFASE L’interfase è divisa a sua volta in altre fasi: G1, S, G2; alcune cellule hanno la G0. 1. Fase G1: la cellula si ingrandisce, replicazione degli organuli Durante questa fase, la cellula aumenta di dimensioni, attraverso una intensa sintesi di proteine strutturali ed enzimatiche e la moltiplicazione dei ribosomi, dei mitocondri, dei reticoli e di altre formazioni citoplasmatiche. 2. Fase S: replicazione del DNA È il periodo nel quale avviene la replicazione della molecola di DNA contenuta nel nucleo, con la formazione di due copie (che costituiranno i due cromatidi dei cromosomi) per ogni filamento. Vengono anche sintetizzate le molecole degli istoni e di alcune altre proteine associate al DNA 3. Fase G2: la cellula si prepara alla divisione cellulare Nella fase G2, che precede immediatamente la mitosi, avvengono gli ultimi preparativi per la divisione cellulare: vengono sintetizzate ulteriori proteine strutturali ed enzimatiche necessarie per la riproduzione cellulare, e si completa la riproduzione dei centrioli, necessaria per avere una coppia di diplosomi, che si dispongono all’esterno della carioteca. FASI DI QUIESCENZA: G 1 0 E G 2 0 È nella fase G1 che, normalmente, le cellule fanno una scelta tra proliferazione e quiescenza. Le cellule “quiescenti” abbandonano (temporaneamente o perennemente) il ciclo per entrare in una fase distinta chiamata G0. In questa fase la cellula è quiescente ma metabolicamente attiva. Questo evento si verifica più frequentemente durante la fase G1 (e viene chiamata fase G10 ), ma alcune cellule lo fanno nella fase G2 (e prende il nome di fase G20 ). Dalla fase G0 le cellule possono, in determinati casi, rientrare nel ciclo cellulare. 43 DIVISIONE CELLULARE Una volta completata l’interfase, la cellula inizia la divisione cellulare: cariocinesi (divisione del nucleo) e citocinesi (divisione del citoplasma). 1. Cariocinesi: la divisione del nucleo (mitosi e meiosi) Ogni cellula “figlia” deve ricevere una dotazione completa del patrimonio genetico (identico tipo di informazioni genetiche) contenuto nelle molecole di DNA racchiuse nel nucleo della cellula “madre”. Da un nucleo se ne formano due, ciascuno dotato di una “copia” del DNA originalmente presente nel nucleo della cellula genitrice. Ci sono due tipi di cariocinesi: mitosi (cellule somatiche) e meiosi (cellule germinali). Mitosi: Genera due nuclei che contengono lo stesso tipo e numero di cromosomi del nucleo della cellula madre, e dà origine a due cellule figlie geneticamente identiche l’una rispetto all’altra. È il normale processo di divisione delle cellule somatiche. Meiosi: Attraverso due successive divisioni, genera quattro nuclei che contengono ciascuno la metà del numero dei cromosomi della cellula madre; le cellule figlie che originano dalla divisione meiotica dei nuclei non sono geneticamente tra loro identiche. È il processo di divisione cellulare che è alla base della gametogenesi (formazione di cellule aploidi per la riproduzione sessuata). 2. Citocinesi: divisione del citoplasma e del suo contenuto (organuli, enzimi) Ogni cellula “figlia” deve anche ricevere dalla cellula “madre” una dotazione basale di citosol e di organelli, indispensabili per continuare senza interruzione i processi metabolici vitali. CELLULE APLOIDI E DIPLIODI Durante il processo di cariocinesi, nella cellula eucariote i filamenti di DNA e le proteine della cromatina si presentano nella forma compatta e ben visibile, chiamata cromosoma. Nelle cellule somatiche degli organismi eucarioti i cromosomi sono sempre presenti in coppie, cromosomi omologhi: non significa identici, sono due cromosomi con la stessa informazione genetica (la stessa sequenza di geni) ma uno è di origine materna e uno di origina paterna. Le cellule i cui nuclei contengono i cromosomi in coppie di omologhi sono dette cellule diploidi, e possiedono due sets (serie) completi di cromosomi, uno dei due sets è il contributo del gamete femminile e l’altro di quello maschile. Noi siamo fatti da cellule diploidi: ogni cellula ha una parte materna e una paterna. 44 CROMOSOMI e CROMATIDI Ciascun cromosoma è costituito da una lunga molecola di DNA: può essere presente in una sola copia (come nella fase G1 del ciclo cellulare) o in due copie identiche, dette cromatidi fratelli, uniti nel centromero (si formano per duplicazione dei filamenti di DNA durante la fase S e permangono fino alla loro separazione nel corso della mitosi). Quindi nel corso della mitosi si possono osservare, cromosomi costituiti da due cromatidi, uniti attraverso il centromero (cromosomi metafasici) e cromosomi formati da un solo filamento (derivati dalla separazione dei due cromatidi durante l’anafase). MITOSI Significato biologico: accrescimento, rinnovamento e riparazione dei tessuti. Alla fine della fase G2 dell’interfase il cromosoma è formato da due cromatidi fratelli uniti al centro dal centromero. Nella fase S ogni cellula duplica la molecola di DNA, formando due cromosomi omologhi con lo stesso DNA (cromatidi fratelli), ciascuna delle quali sarà destinata a una delle due cellule figlie. Attraverso il processo cariocinetico della mitosi, ogni cellula somatica dell’organismo pluricellulare riceve un set completo di informazioni genetiche, dato che il DNA nucleare viene duplicato prima di ogni divisione mitotica, nella fase S del ciclo cellulare. Ciascuna dei milioni di miliardi di cellule che costituiscono il corpo umano (ad eccezione dei gameti) hanno la stessa dotazione cromosomica e genetica, originando tutte dalla prima cellula dell’organismo (zigote) attraverso una successione di divisioni mitotiche. Le differenze morfologiche e funzionali derivano dalla diversa espressione del patrimonio genetico e dai fattori extracellulari che interagiscono con essa. DIVERSE CATEGORIE DI CELLULE: - Cellule labili: sono caratterizzate da frequenti mitosi, queste cellule hanno vita breve e muoiono in qualche settimana. (es. cellule epiteliali dell’intestino). - Cellule stabili: fanno raramente la mitosi, ma possono essere stimolate a proliferare in particolari condizioni (es. cellule parenchimali epatiche e renali). - Cellule perenni: non ci sono mitosi (es. cellule tessuto nervoso). FASI: 1. Profase, 2. Metafase 3. Anafase 4. Telofase 45  1. Profase: i cromosomi si compattano e la carioteca si frammenta I cromosomi si compattano e si inizia a frammentare la carioteca: si unisce ciò che c’è nel nucleo e ciò che c’è all’esterno. Si formano le fibre del fuso mitotico: microtubuli che collegano i lati della cellula. 2. Metafase: i cromosomi si attaccano alle fibre del fuso mitotico All’interno è come se ci fosse una piastra immaginaria, chiamato piano metafasico. Ogni cromosoma si attacca con il centromero nel punto medio di una fibra del fuso. Tutti i cromosomi trovano una fibra del fuso a cui agganciarsi. 3. Anafase: i cromatidi si separano e migrano ai poli del fuso Inizia quando tutti i cromosomi sono agganciati alle fibre. Le coppie di cromatidi si separano perché le proteine che li tenevano uniti nel centromero vengono degradate. Migrano nei poli opposti del fuso mitotico seguendo la scia dei microtubuli a cui sono attaccati, è uno scorrimento unidirezionale, perché il microtubulo poi si degradano. Questo avviene contemporaneamente per tutti i nostri 46 cromosomi. Per spostarsi i cromatidi usano una grande quantità di ATP. Si divide in iniziale e avanzata. 4. Telofase: si formano due sets di DNA I cromatidi sono ai poli opposto del fuso, iniziano a despiralizzarsi assumendo l’aspetto diffuso della cromatina. I due nuovi involucri nucleari (carioteche) si formano attorno ai due sets di DNA e ricompaiono i nucleoli. Il fuso mitotico viene smantellato e le sue fibre si disperdono. 46 CITOCINESI La citocinesi è il processo di divisione del citoplasma che porta alla formazione delle due cellule figlie, il citoplasma si divide in modo tale che ogni cellula figlia riceva una parte uguale di materiale cellulare. Avviene tramite un processo noto come scissione: inizialmente compare un solco di scissione che appare come una leggera fessura sulla superficie della cellula vicino alla piastra metafasica. Sul lato citoplasmatico si trova un anello contrattile di microfilamenti costituiti da actina associata a molecole di miosina. La contrazione dell’anello di microfilamenti è simile all’azione di un laccio; il solco di scissione si approfondisce fino a strozzare in due la cellula madre e a produrre due cellule figlie completamente separate. Il momento conclusivo della citocinesi è chiamato citodieresi: la cellula madre si divide completamente in due cellule figlie separate. REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE Tipi cellulari diversi presentano frequenze differenti di divisione cellulare. Queste differenze nel ciclo cellulare sono dovute ad una regolazione a livello molecolare. Un insieme di molecole ciclicamente attive all’interno della cellula innesca e coordina gli eventi chiave del ciclo cellulare. Vi sono vari punti detti di controllo che sono punti ”critici” perché a livello di questi punti viene regolato il ciclo, poiché rappresentano segnali di arresto o di progressione. I tre punti di controllo principali si trovano nelle fasi G1, G2 e M. Fase di restrizione G1: è il più importante. Se una cellula riceve un segnale di ripartenza al punto di controllo G1, questa completerà il ciclo e si dividerà. Se non riceve un segnale di ripartenza, la cellula uscirà dal ciclo cellulare e passerà in uno stato in cui non si divide, chiamato G0; moltissime cellule dell’organismo umano sono nella fase G0, ma possono essere richiamate a dividersi in risposta a segnali ambientali. Le fasi del ciclo cellulare sono scandite da fluttuazioni ritmiche dell’attività di alcune particolari classi di proteine dette chinasi. Questi enzimi sono attivi solo quando hanno legato una ciclina, una proteina la cui concentrazione varia ciclicamente Ricerche recenti sembrano suggerire che nel punto di controllo G1 vengano coinvolti di almeno tre tipi di proteine CdK e di diverse cicline. Le fluttuazioni di attività dei vari complessi ciclina-CdK sembrano controllare tutti gli stadi del ciclo. 47 Fase di restrizione G2: formazione del complesso MFP Si forma poi un complesso ciclina+chinasi ciclina- dipendente detto MPF (=fattore di promozione della mitosi) che spinge la cellula a oltrepassare il punto di controllo G2 per entrare nella fase M. È stato dimostrato che l’MFP dà inizio alla mitosi determinando la frammentazione dell’involucro nucleare, mediante la fosforilazione delle proteine della lamina nucleare. Nella fase M, l’MFP si inattiva, ciò comporta la degradazione della ciclina. La chinasi ciclina-dipendente (CdK) rimane della cellula nella forma inattiva fino a quando si associa a una nuova molecola di ciclina. Fase M Il punto di controllo della fase M si trova durante la metafase. Questo punto di controllo impedisce alla cellula di proseguire verso l'anafase fino a quando tutti i cromosomi non si sono correttamente allineati sulla piastra metafasica (la linea immaginaria al centro della cellula dove si dispongono i cromosomi) e non sono collegati ai microtubuli del fuso mitotico. Se uno o più cinetocori (le strutture dei cromatidi a cui si attaccano i microtubuli) non si sono ancora legati al fuso, viene attivato un segnale di blocco che ritarda l'inizio dell'anafase. Questo segnale viene generato proprio dai cinetocori non attaccati e impedisce la separazione dei cromatidi fratelli. Quando tutti i cinetocori si sono legati correttamente ai microtubuli, il segnale di blocco si interrompe e si attiva l'APC (Complesso di Promozione dell'Anafase). L'APC innesca la degradazione delle proteine che mantengono uniti i cromatidi fratelli, permettendo la loro separazione e l'avvio dell'anafase. FATTORI DI CRESCITA Fattore di crescita: sono proteina rilasciate da alcune cellule del corpo che stimola la divisione di altre cellule. Es: PDGF; viene prodotto dalle piastrine e stimola la divisione dei fibroblasti. Es: HGF; viene prodotto dalle cellule di Ito (mesenchimali) e stimola la divisione degli epatociti (epiteliali) legandosi al recettore (c-MET). INIBIZIONE DA CONTATTO Quando si fanno crescere le cellule in coltura, esse si dividono sino a formare uno strato uniforme sulla superficie che hanno adisposizione, dopo di che la divisione si arresta. Questo fenomeno si chiama “inibizione da contatto” e mima la condizione “fisiologica” delle cellule dei tessuti nel nostro organismo. 48 DIPENDENZA DA ANCORAGGIO La maggior parte delle cellule animali mostrano anche una dipendenza da ancoraggio. Per dividersi devono essere ancorate ad un substrato, come la superficie interna di un recipiente di coltura o la matrice extracellulare di un tessuto. Diverse prove sperimentali suggeriscono che l’ancoraggio viene segnalato al sistema di controllo del ciclo cellulare, attraverso le proteine di membrana che hanno contatto con le proteine del citoscheletro TUMORI Il problema ha inizio quando una singola cellula di un tessuto va incontro a trasformazione, cioè quel processo che converte una cellula normale in una cellula tumorale. Il sistema immunitario del nostro organismo normalmente riconosce una cellula trasformata come estranea e la distrugge. Tuttavia, se le cellule tumorali non sfuggono alla distruzione, queste possono proliferare per formare un tumore. Le cellule tumorali non risentono di: inibizione da contatto (continuano a dividersi) e dipendenza da ancoraggio (intaccano altri tessuti). Se le cellule anormali rimangono nel loro sito di origine, il nodulo viene detto tumore primario (ed è in genere benigno). Se le cellule di un tumore primario acquistano la capacità di invadere, diffondono in altre parti del corpo formando tumori secondari (dette metastasi) danneggiando le funzioni di più organi. In questo caso il tumore è maligno e viene definito “cancro”. Il cancro è quella malattia in cui le cellule sfuggono ai meccanismi di controllo che generalmente limitano la crescita. Certi geni producono proteine che normalmente regolano la crescita e la divisione delle cellule; le mutazioni che colpiscono questi geni, nelle cellule somatiche, portano al cancro Proto-oncogeni: sono geni che hanno la funzione di stimolare la divisione cellulare (es. codificano un fattore di crescita). Una modificazione della loro sequenza può determinare un incremento dell’attività delle proteine codificate o una maggiore resistenza alla loro degradazione. Questa situazione può condurre ad una stimolazione abnorme del ciclo cellulare, avviando la cellula sulla strada della malignità. Geni soppressori del tumore: sono geni che codificano per proteine che impediscono alla cellula di crescere in modo incontrollato. Ogni mutazione che diminuisce la nuvola attività di una proteina di soppressione della divisione cellulare può contribuire ad insorgenza del cancro. 49 Le proteine prodotti dei geni soppressori tumorali svolgono diverse funzioni; alcune riparano DNA danneggiato, impedendo che nel DNA si accumulino mutazioni, altri controllano l’adesione delle cellule al substrato, altre fanno parte di vie di segnalazione che inibiscono il ciclo cellulare. Mutazioni multiple sono alla base dello sviluppo del cancro: per produrre i cambiamenti caratteristici di una cellula tumorale secondo necessarie molteplici mutazioni somatiche. Questo spiega perché l’incidenza del cancro aumenta con l’avanzata dell’età. Il modello di un percorso a più tappe (mutazioni) che conduce al cancro è tipico della maggior parte dei tumori. Il tipo di tumore più frequente è quello al colon-retto; è stato molto studiato e rappresenta un buon modello per comprendere la gradualità con cui si sviluppa il tumore e progredisce verso la malignità: MEIOSI Significato biologico: mantenere invariato il cariotipo di ogni specie e garantire la variabilità genetica (crossing-over e assortimento indipendente.) La meiosi è un tipo di divisione cellulare che riguarda i precursori delle cellule germinali (gameti). È un fenomeno di cariocinesi ed è il processo fondamentale per la gametogenesi, la formazione dei gameti (cellule specializzate destinate alla riproduzione sessuata). Riguarda 2 divisioni nucleari e genera 4 nuclei che contengono ciascuno la metà del numero dei cromosomi della cellula madre: da nucleo diploidi si ottengono nucleo con corredo cromosomico aploide (cariocinesi riduzionale). Inoltre, le cellule figlie, che si originano per successiva citocinesi dalla divisione meiotica dei nuclei, non sono geneticamente identiche tra loro. I gameti sono aploidi, due gameti formano uno zigote, diploide. La meiosi consente al processo di riproduzione sessuata degli organismi di realizzare contemporaneamente, nel passaggio da una generazione all’altra, due importanti obiettivi: 50  1. La invarianza del cariotipo: il numero e la morfologia dei cromosomi (cariotipo) rimangono inalterati, salvo occasionali errori che conducono a mutazioni cromosomiche. 2. La variabilità del genotipo: aumenta la variabilità genetica per effetto di due fenomeni: a. i cromosomi omologhi si separano durante la metafase I, “mescolando” così i cromosomi paterni e materni in nuove combinazioni; b. nel corso della profase I si formano nuove combinazioni di geni (ricombinazione genetica) sui cromosomi, attraverso uno scambio di segmenti corrispondenti tra cromatidi di cromosomi omologhi (processo di “crossing-over”). La riproduzione sessuata, che si compie nel processo di fertilizzazione attraverso la singamia (fusione dei pronuclei derivati dai due gameti). Richiede, affinché il cariotipo di una specie resti costante di generazione in generazione, che i due gameti abbiano ciascuno un nucleo con un numero aploide di cromosomi: ciò è reso possibile dal processo di “divisione riduzionale” dei nuclei operato nel corso della meiosi. La riproduzione sessuata è composta da due processi: 1. Gametogenesi: riduzione del numero (2n à n) dei cromosomi del nucleo dei gameti (meiosi). 2. Fertilizzazione: ricostruzione del numero (n à 2n) dei cromosomi nel nucleo dello zigote (singamia) CROSSING OVER Il crossing-over è uno scambio di materiale tra due cromosomi omologhi. Questo processo è dovuto ad un meccanismo di rottura e riunione dei filamenti di DNA che costituiscono i cromosomi. Processo: 1. I cromosomi omologhi si separano. 2. Si scambiano materiale genetico formando due gameti. 3. I gameti materni si incrociano con quelli paterni formando il genotipo del figlio. 51 FASI DELLA MEIOSI: 1. Fase S 2. Meiosi I 3. Interfase 4. Meiosi II 2.1 Profase I 3.1 Fase G1 4.1 Profase II 2.2 Metafase I 3.2 Fase G2 4.2 Metafase II 2.3 Anafase I 4.3 Anafase II 2.4 Telofase I 4.4 Telofase II 1. FASE S: sintesi del DNA, il materiale genetico si duplica. 2. MEIOSI I: prima divisione meiotica (divisione riduzionale). Nella meiosi I partendo da un nucleo con corredo diploide di cromosomi, si formano 2 nuclei con corredo aploide. 2.1 Profase I: È molto lunga e complessa ed è divisa in 5 fasi. 1. Leptotene: ciascun cromosoma (costituito da 2 cromatidi) appare come singolo filamento. Si evidenzia la cromatina e i cromosomi si mostrano spiralizzati: distesi, lunghi e sottili. 2. Zigotene: i cromosomi omologhi si avvicinano e si accoppiano (processo chiamato sinapsi) formando una tetrade (4 cromatidi omologhi a due a due). 3. Pachitene: i cromosomi omologhi si attorcigliano l’uno intorno all’altro. Avviene il crossing over. 4. Diplotene: I cromosomi omologhi iniziano a separarsi, appaiono in contatto tra loro solo in alcuni punti detti chiasmi (da 1 a massimo 12). Inizia la spiralizzazione dei filamenti di DNA. 5. Diacinesi: I cromosomi omologhi appaiono spiralizzato, i punti di incrocio si spostano verso i temi dei cromatidi e scompare la carioca. Scompare il nucleolo e si forma la struttura del fuso. 3. INTERFASE: breve o assente, senza fase S. 4. MEIOSI II: seconda divisione meiotica. I cromatidi presenti in ognuno dei 2 nuclei si divide ulteriormente, formando 4 nuclei con corredo aploide. 52