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Biologia (01/12/2020) Lezione 10 Prof.ssa Sidoti Il ciclo cellulare Il ciclo cellulare è la serie di eventi che avvengono in una cellula tra una divisione cellulare e quella successiva. Quindi, il ciclo cellulare rappresenta la vita di una cellula dal momento in cui si riproduce, crea due cellule figlie ciascuna delle quali si accresce e si riproduce. Tutto dipende da che tipo di cellule si prendono in esame. Le cellule possono essere classificate in funzione al ciclo cellulare in tre categorie: • Cellule labili, ovvero quelle che si riproducono continuamente e quindi hanno un ciclo cellulare molto breve (si parla di poche ore). Le cellule germinali e le cellule staminali sono cellule labili (ad esempio le cellule epiteliali vanno incontro a un continuo rinnovamento e hanno un ciclo cellulare molto breve). • Cellule stabili, ovvero quelle che, in seguito a una mitosi, nascono, si accrescono e tendono a non rientrare in mitosi, ma ne conservano la capacità. Queste cellule pur conservando la capacità di rientrare in mitosi, non la esplicano almeno che non ce ne sia la necessità. Nel momento in cui ce ne sia il bisogno, le cellule stabili escono dalla fase G0 (ovvero una fase di stand-by in cui la cellula vive regolarmente) e rientrano in mitosi. Ad esempio, le cellule epatiche sono cellule stabili (che quindi si sono accresciute e differenziate). Nel momento in cui si ha un’epatite, quindi una grossa perdita da parte della ghiandola del fegato, le cellule epatiche possono rientrare in mitosi e riprodurre delle cellule identiche (e quindi dei cloni cellulari) che possono compensare la perdita. • Cellule perenni, ovvero quelle che, una volta differenziate, non sono più in grado di rientrare in mitosi. Le cellule nervose sono cellule perenni e infatti quando un paziente ha un danno cerebrale importante, è difficile che venga recuperato. In realtà questa non è una verità assoluta in quanto si è notato che è possibile che alcuni tipi di cellule nervose rientrino in mitosi, ma non ci sono ancora sufficienti dati che lo dimostrino con certezza. Quindi in generale le cellule perenni differenziano e poi muoiono. Sulla base di questa suddivisione, a secondo del tipo di cellule prese in considerazione, il ciclo cellulare è differente a livello di tempistiche. Tipicamente, se si osserva la cromatina di una cellula nei diversi momenti del ciclo cellulare, si noteranno situazioni differenti tra loro. Infatti, se la cellula viene osservata durante:
• Interfase (è la fase che costituisce tutto il ciclo cellulare a eccezione della fase M, di mitosi) è possibile vedere la cromatina e distinguere l’eucromatina dall’eterocromatina. Questo è dovuto al fatto che l’interfase è una fase di crescita per cui il nucleo è iperdenso (in quanto vi è una notevole sintesi di RNA). • Fase M, non si riuscirà a notare la cromatina e il nucleo (infatti in questa fase la membrana nucleare viene disassemblata per permettere la formazione del fuso mitotico e la conseguente migrazione dei cromosomi ai due poli della cellula), ma solo una forma condensata di cromatina, ovvero i cromosomi. La fase che precede la fase M è la fase S (S sta per “sintesi”). Durante la fase S del ciclo cellulare avviene la duplicazione del DNA. La duplicazione del DNA è necessaria per far sì che le due cellule figlie (identiche tra loro e identiche alla cellula madre) che si formano durante la fase M, abbiano lo stesso corredo cromosomico della cellula madre (ad esempio se la cellula madre ha un corredo cromosomico diploide, anche le due cellule figlie dovranno avere un corredo cromosomico diploide, ma per far avvenire ciò è necessario che il DNA della cellula madre venga prima duplicato). La cromatina è costituita da DNA, proteine istoniche, proteine non istoniche e tracce di RNA. Essa è tutto ciò che si trova all’interno del nucleoplasma in quanto il DNA, sottoforma di cromatina, occupa l’intero volume del nucleoplasma stesso. La cromatina è una sostanza diversamente colorabile (la colorazione di solito è “feulgen” [si legge “folghen”]). Il motivo per cui la cromatina nella fase S viene condensata a formare i cromosomi è probabilmente il fatto che, se venisse lasciata decondensata, ci sarebbero degli errori. Se invece essa viene condensata in strutture corpuscolate quali i cromosomi, è possibile poi distribuirla alle 23 coppie di cromosomi. In una cellula che è in mitosi, si troverà ogni cromosoma duplicato. Il cromosoma è formato da due cromatidi. Nel momento in cui avviene la mitosi e i cromosomi migrano ai due poli della cellula, ciascuno di essi si divide in due parti uguali. Nel momento in cui tutte le 23 coppie di cromosomi vanno incontro a ciò, il patrimonio viene distribuito alle due cellule figlie senza errori. L’anemia falciforme è una malattia molto invalidante, ma il danno è solo di un nucleotide. Essa è legata infatti alla sostituzione di un acido glutammico con la valina. Proprio per questo motivo è molto importante riparare i danni del DNA, proteggere il DNA e ridistribuirlo correttamente nelle due cellule figlie.
Replicazione del DNA La duplicazione del DNA avviene nella fase S del ciclo cellulare. Il modello secondo il quale il DNA si replica è il modello semiconservativo. Esso prevede che, a partire da una molecola di DNA contenuta nella cellula madre, ciascuna delle molecole di DNA contenute all’interno delle due cellule figlie sia costituita da un’elica parentale (rosa nell’immagine) e da un’elica di nuova sintesi (blu nell’immagine) (prima generazione). Allo stesso modo nella seconda generazione avremo molecole di DNA costituite al 50% da eliche parentali (in questo caso una rosa e una azzurra in figura) e dal 50% da eliche di nuova sintesi (pertanto una molecola è costituita da un’elica rosa parentale e una blu di nuova sintesi; l’altra molecola è costituita da un’elica blu parentale e da un’elica blu di nuova sintesi). Il principio della replicazione del DNA e della PCR (è una replicazione in vitro del DNA) è la complementarità delle basi. Chargaff aveva studiato il DNA estratto da tanti organismi, lo aveva digerito chimicamente e aveva notato che ciascun organismo conteneva sempre la stessa quantità di adenine e timine e di citosine e guanine. Questo fece intuire successivamente a Watson e Crick che il DNA è di una molecola a doppia elica in cui le due emieliche sono tenute insieme da legami tra queste basi (adenina e timina; citosina e guanina). Il principio fondamentale della replicazione è quindi che, conoscendo un’emielica, è possibile sintetizzare l’altra emielica senza il bisogno di altro perché l’enzima che polimerizzerà l’emielica di nuova sintesi non farà altro che utilizzare il DNA stampo e aggiungere le basi complementari. Sulla base di questo principio è possibile replicare il DNA in vitro, in quanto, nel momento in cui si utilizza una taq, un enzima che sa polimerizzare, e si fornisce uno stampo di DNA, la taq aggiunge nucleotidi complementari. Il modello semiconservativo prevede che le due emieliche parentali si possano denaturare (quindi separare l’una dall’altra) e ciascuna possa fungere da stampo. Gli altri due modelli di replicazione del DNA sono il modello conservativo e il modello dispersivo. Il modello conservativo prevede che una molecola parentale di DNA (con due eliche rosa in figura) funga da stampo per intero, per cui una cellula riceverà tutta la molecola parentale, mentre l’altra sarà costituita da eliche di DNA di nuova sintesi. Sulla base di ciò ad ogni generazione avremo una cellula che riceve la molecola parentale e un’altra che riceve una molecola di DNA di nuova sintesi. Questo non è un modello secondo il quale viene replicato il DNA dalle nostre cellule. Il modello dispersivo prevede che a partire da una molecola parentale se ne formino due costituite da pezzi di DNA di nuova sintesi e pezzi di DNA parentale. Attraverso l’esperimento di Meselson e Stahl, sia il modello conservativo che quello dispersivo sono stati smentiti.
Cosa avviene quando si replica il DNA? All’inizio si pensava che la sintesi del DNA fosse unidirezionale. In realtà successivamente è stato dimostrato che la replicazione del DNA è bidirezionale, perché inizia in un punto e procede nelle due direzioni. Il DNA è costituito da due eliche. Per poterlo duplicare, è necessario denaturare la doppia elica in corrispondenza di determinati punti chiamati, nella cellula procariotica, “origine di replicazione” (oriC). OriC si troverà nel DNA ricombinante perché, quando si vuole utilizzare un vettore per clonare un frammento di DNA, bisogna sempre avere un’origine di replicazione, ovvero bisogna far in modo che questa molecola si possa replicare in maniera autonoma. L’origine di replicazione viene recuperata dai batteri. L’origine di replicazione è una sequenza ricca di adenine e timine che favorisce la denaturazione della doppia elica. Quest’ultima, inoltre, è favorita anche da alcune proteine che agevolano l’apertura mediante una pressione meccanica. Naturalmente, affinché, la doppia elica venga denaturata, è necessaria una grande energia in grado di idrolizzare i legami idrogeno tra le basi azotate. Una regione ricca in adenina e timina è più facile da denaturare rispetto a una ricca in citosina e guanina perché nel primo caso tra le basi azotate ci sono due legami idrogeno da idrolizzare, mentre nel secondo caso ce ne sono tre. A questo punto è possibile denaturare la doppia elica la cui apertura viene mediata da un enzima, l’elicasi (giallo in figura). La bolla di replicazione, procedendo in maniera bidirezionale, si allarga sempre di più finché non si staccano due anelli di DNA (infatti il DNA nella cellula procariotica è circolare). Questa è la replicazione tipica del batterio. Nella cellula eucariotica il meccanismo è analogo, ma avviene in più punti. Nel caso della cellula eucariotica, una volta denaturata la doppia elica, è necessario “mantenerla aperta”. Per fare ciò sono utilizzate le proteine SSBP (single-strand binding proteins, proteine leganti il singolo filamento) oppure proteine che stabilizzano il doppio filamento. Tali proteine bloccano il normale riavvolgimento a cui andrebbe incontro la molecola di DNA. Contemporaneamente, a valle della forca di replicazione, si avranno dei superavvolgimenti, motivo per il quale, mediante le topoisomerasi I e topoisomerasi II (dette girasi nelle cellule procarioriche) che sono degli enzimi in grado di tagliare il singolo e il doppio filamento, si eliminano le torsioni, si cuciono di nuovo e si va avanti. Nel momento in cui la doppia elica è separata, ogni emielica rappresenta un filamento stampo. Tale replicazione è detta semidiscontinua. Cosa vuol dire “replicazione semidiscontinua”? Consideriamo un’emielica ricca in adenine. Sappiamo già che l’elica di nuova sintesi sarà ricca in timine. Ma chi sintetizza tali nucleotidi e li aggiunge nella nuova elica?