DIVISIONE CELLULARE

Considerando la definizione di introni indicare il rapporto corretto in ogni gene tra il numero degli esoni e degli introni:

a) Esoni= introni +1 b) Esoni=introni

c) Esoni= introni –1

d) Esoni= 2 volte gli introni

Descrivete le possibili conseguenze nella traduzione del seguente mRNA mutato rispetto a quello nativo

5’ UUCCCAAUCACAUAAGUAGCC 3’ RNA mutato 5’ UUCCCAAUCACAUACGUAGCC 3’ RNA nativo

(codoni di stop UAG, UAA, UGA)

La polimerasi I è la polimerasi che trascrive:

1. Tutti gli RNA in procarioti

2. tRNA e 5S ribosomiali in eucarioti 3. Gli snRNA e si trova nel nucleolo 4. Gli rRNA e si trova nel nucleolo 5. Gli hnRNA in eucarioti

RNA-POLIMERASI I

Si trova nel nucleolo

1) Trascrive un filamento precursore 45S da cui vengono poi ritagliati i tre rRNA: 28S, 18S, 5,8S.

2) Il DNA contenente i geni per gli rRNA si trova nel nucleolo.

3) La trascrizione avviene nel nucleolo

4) Le proteine ribosomiali vengono prodotte nel citoplasma e successivamente rientrano nel nucleo e quindi nel nucleolo dove si assemblano con i rispettivi rRNA per dare le due subunità ribosomiali.

1) La polimerasi I ha bisogno di 2 fattori trascrizionali generali (B ed S) per poter iniziare la trascrizione che si legano al promotore (da -100/-50 a +20).

RNA-POLIMERASI III

Si trova nel nucleo.

1) Trascrive i diversi tRNA e l' rRNA 5S (unico ribosomiale non prodotto nel nucleolo dove poi migrerà).

2) La polimerasi III ha bisogno di fattori di trascrizione generali per iniziare (A,B,C per rRNA 5S e B,C per i tRNA).

3) Le zone regolatrici di attacco dei fattori trascrizionali e RNA-polimerasi non sono a monte del trascritto ma a valle: Promotori Interni.

RNA-POLIMERASI II

Si trova nel nucleo.

1) Trascrive RNA primari (hnRNA) che successivamente verranno modificati (maturazione) per dare mRNA funzionanti.

2) Per iniziare ha bisogno di fattori trascrizionali generali (D, B, F, E, H).

3) Tali fattori si legano ad una sequenza del promotore detta TATA BOX (- 40).

Esistono anche a monte della TATA BOX sequenze ricche di CG e CAAT BOX .

Biologia 3/118

Le proteine si distinguono in SEMPLICI e CONIUGATE.

Le proteine semplici sono formate solo da catene polipeptidiche, le coniugate presentano oltre alle catene polipeptidiche gruppi di natura non proteica (es.

zuccheri, lipidi etc…).

FUNZIONI DELLE PROTEINE

Le proteine hanno le più svariate funzioni e la maggior parte di esse ha funzione enzimatica.

ENZIMI

Sono catalizzatori biologici di tutte le reazioni chimiche che avvengono negli esseri viventi.

Sono in grado di accelerare reazioni che senza l'enzima avverrebbero a temperature, a pH e tempi incompatibili con la vita (es. 50 C°, pH 9, formazione di una molecola ogni ora ).

Gli enzimi sono estremamente specifici in quanto di solito ciascuno di essi catalizza un solo tipo di reazione.

Esempio aminoacil-sintetasi permette di legare un determinato L-aminoacido al suo specifico tRNA.

PROTEINE STRUTTURALI

Proteine della membrana cellulare, proteine del citoscheletro (es. actina), proteine della matrice extracellulare.

PROTEINE DI TRASPORTO

Es. emoglobina che trasporta ossigeno e anidride carbonica.

PROTEINE CONTRATTILI

Proteine che permettono il movimento muscolare.

PROTEINE DI DIFESA

Es. anticorpi che riconoscono e inattivano sostanze estranee dell'organismo (antigeni).

FATTORI DI CRESCITA E ORMONI

Regolano la crescita, il metabolismo e il differenziamento cellulare.

PROTEINE DI LEGAME O RECETTORI

Legano ormoni o fattori di crescita (interazione funzionale biologica).

TOSSINE

Proteine tossiche che derivano dai processi di degradazione cellulare e che vengono eliminate nel sangue e nelle urine.

Biologia 3/119

Corso integrato di Biologia e Genetica -Biologia-

Biologia generale:

Composizione chimica e struttura del DNA Replicazione del DNA: meccanismi molecolari Meccanismi di riparo del DNA

Trascrizione degli RNA: meccanismi molecolari RNA messaggero e sua maturazione in eucarioti RNA ribosomale e ribosomi

Struttura molecolare dei geni per le proteine Caratteristiche generali del codice genetico Traduzione: meccanismi molecolari

Proteine: caratteristiche chimico-fisiche e struttura

Facoltà di Medicina 2005/2006

Biologia Cellulare:

Ciclo cellulare in eucarioti

Proliferazione cellulare e meccanismi di controllo (fattori di crescita, recettori, oncogeni e oncosoppressori)

Sviluppo e differenziamento in eucarioti pluricellulari e relativi meccanismi (geni omeotici)

Analogie e differenze tra virus, procarioti ed eucarioti

Facoltà di Medicina 2005/2006

DIVISIONE CELLULARE

Ogni cellula si riproduce portando avanti una sequenza ordinata di eventi in cui essa raddoppia i suoi componenti e poi si divide in due.

Organismi unicellulari: (es. batteri ) ogni divisione cellulare produce un intero organismo nuovo.

Organismi pluricellulari: la divisone cellulare riguarda sia le cellule somatiche che gametiche.

Per le cellule somatiche la divisione cellulare prende il nome di mitosi, avviene durante lo sviluppo e il differenziamento dell'organismo e per alcuni tipi cellulari anche durante tutta la vita.

Per le cellule gametiche (cellula uovo e spermatozoo) la divisione cellulare prende il nome di meiosi.

Biologia 4/120

Biologia 4/121

Cellula Procariotica

La divisione cellulare è rapida e semplice.

I batteri non hanno un nucleo e contengono un solo cromosoma di DNA circolare attaccato alla membrana plasmatica dove resta mentre si duplica. I due cromosomi si separano durante la crescita della cellula.

Quando essa ha raggiunto dimensioni pressochè doppie, si divide per scissione semplice (scissione binaria).

Biologia 4/122

TUTTE LE CELLULE SI RIPRODUCONO

RIPRODUZIONE CELLULARE RIPRODUZIONE CELLULARE

UNICELLULARI:

Serve unicamente ad aumentare la numerosità degli individui,

ossia come modalità di riproduzione dell’organismo

PLURICELLULARI:

Svolge un ruolo importante nell’accrescimento e nella

rigenerazione.

LA DIVISIONE CELLULARE

COMPORTA LA DUPLICAZIONE DEL MATERIALE GENETICO CHE VIENE TRASMESSO ALLE CELLULE FIGLIE

IN UGUAL QUANTITA’

I PROCARIOTI HANNO UN UNICO CROMOSOMA CIRCOLARE

Cellula Eucariotica

Per gli eucarioti la divisione cellulare è assai più complessa:

- il DNA è complessato con proteine e si organizza prima della divisione in strutture dette cromosomi

- il citoplasma contiene un ampio corredo di organelli da distribuire equamente tra le cellule figlie

La divisione cellulare (mitosi o meiosi) ha luogo quindi mediante una successione continua di eventi coordinati e sincroni che vengono chiamati ciclo cellulare.

Biologia 4/123

NEL CICLO VITALE DI UNA CELLULA SI ALTERNA UN PERIODO NEL QUALE LA CELLULA NON SI DIVIDE (INTERFASE) ED UN PERIODO NEL QUALE LA

CELLULA SI DIVIDE

LA DUPLICAZIONE DI UNA CELLULA EUCARIOTICA CONTEMPLA LE SEGUENTI FASI:

- LA REPLICAZIONE (= DUPLICAZIONE) DEL MATERIALE GENETICO ALL’INTERNO DEL NUCLEO

- IL TRASFERIMENTO E LA SEGREGAZIONE DEL MATERIALE GENETICO ALL’INTERNO DEI DUE NUCLEI FIGLI (= MITOSI)

- LA DIVISIONE DEL CITOPLASMA (= CITODIERESI)

PER TRASMETTERE AD OGNI CELLULA FIGLIA LA STESSA QUANTITA’ DI INFORMAZIONE GENETICA, NUOVO DNA DEVE

ESSERE SINTETIZZATO

LA REPLICAZIONE DEL DNA AVVIENE DURANTE L’INTERFASE. E’

DEFINITA FASE “S” (SINTESI) IL PERIODO DELL’INTERFASE DURANTE IL QUALE SI HA LA REPLICAZIONE DEL DNA.

VIENE DEFINITA FASE G1 (DALL’INGLESE “GAP” = INTERVALLO) IL PERIODO DEL CICLO CELLULARE CHE PRECEDE LA FASE S

VIENE DEFINITA FASE G2 IL PERIODO DEL CICLO CELLULARE CHE SEGUE LA FASE S

DURANTE LA FASE G1 VENGONO SINTETIZZATI GLI ENZIMI NECESSARI ALLA REPLICAZIONE DEL DNA

LA FASE G1 DETERMINA LA DURATA DEL CICLO CELLULARE

CELLULE CHE NON SI DIVIDONO RIMANGONO FERME IN G1

DURANTE LA FASE G2 VIENE SINTETIZZATO IL MATERIALE NECESSARIO ALLA SUCCESSIVA DIVISIONE MITOTICA

UNA CELLULA CHE ENTRA IN G2 E’ DESTINATA A DIVIDERSI

CICLO CELLULARE MITOTICO

Il ciclo cellulare prevede che le cellule generate da una mitosi inizino e completino il loro ciclo cellulare con la successiva mitosi.

Il ciclo cellulare si divide in due periodi: l'

interfase

fase M

L'interfase rappresenta l'intervallo tra una fase M e la successiva e occupa una ampia parte del ciclo vitale.

L'interfase viene suddivisa in tre stadi

G1, S, G2

La fase

M

la mitosi

citochinesi

Biologia 4/125

Le cellule in base alla loro capacità di dividersi si suddividono in tre categorie:

- cellule in continua divisione cellulare:

cellule che rimangono in ciclo (es.

epidermide)

- cellule stabili: cellule che dopo la differenziazione escono dal ciclo ed entrano in una fase quiesciente detta GO

dalla quale possono ritornare in ciclo se opportunamente stimolate (es. epatociti) - cellule perenni: cellule che dopo la differenziazione escono definitivamente dal ciclo entrando in una fase detta GZ

(es. neuroni).

(

Esiste una correlazione negativa tra duplicazione e specializzazione ovvero in generale, più una cellula è specializzata meno andrà incontro a divisione

.

Biologia 4/126

Interfase

La cellula entra dapprima in fase

G1

(0-20 h).

Durante la fase G1 la cellula raddoppia il suo volume, svolge le funzioni a lei deputate e nella tarda fase G1 replica i geni responsabili della duplicazione del DNA.

Fase

S

Dopo la fase S la cellula entra nell'interfase

G2

Fase M

Tale fase dura 0,5-1h, dopo di che le due cellule che derivano dall'evento di divisione entrano nello stadio

G1

Biologia 4/127

Tutto il ciclo dura al massimo 30 h. La durata del ciclo dipende dal tipo di cellule e dalle funzioni che questa cellula deve svolgere.

Le fasi

S, G2 ,M

G1

stimoli necessari per il proseguimento in fase

Biologia 4/128

REGOLAZIONE DEL CICLO CELLULARE

Per il ciclo cellulare vale il concetto dell'unidirezionalità e dell'irreversibilità.

Gli eventi del ciclo cellulare devono avvenire in una certa sequenza che va mantenuta, anche se una delle fasi si protrae più del previsto.

Esistono pertanto dei freni molecolari capaci di arrestare il ciclo a vari posti di blocco, detti

punti di controllo

In G1 c'è un

primo punto di controllo

Biologia 4/129

Superato il primo punto di controllo la cellula deve essere stimolata da fattori proteici esogeni e deve trovare condizioni ambientali opportune per progredire nel ciclo.

Gli stimoli sono rappresentati in primo luogo da:

fattori di crescita di competenza

fattori di crescita di progressione

In culture cellulari è stato dimostrato che le cellule smettono di dividersi se manca loro lo spazio (inibizione da contatto); in questo caso diminuisce la sintesi proteica e la cellula smette di proliferare. Il ritmo della sintesi proteica è determinato anche da importanti trasformazioni del citoscheletro.

Biologia 4/130

Un

secondo punto di controllo

presente nella fase tardiva di G1,

punto di restrizione (R),

superato il quale la cellula è in grado di passare alla fase S.

Il punto

R

Un

ultimo punto di controllo

ha nella parte finale di G2, dove la cellula si può fermare prima di entrare in mitosi. Questo controllo consente alla cellula di verificare se la replicazione è completa, il DNA è integro e le dimensioni cellulari superano la soglia critica.

Biologia 4/131

M

G

S G

1° punto di controllo = Punto di restrizione 2° punto di

controllo

G

= fase di non proliferazione

o di differenziazione

Meccanismi molecolari di controllo

Il ritmo della divisione cellulare è controllato da meccanismi molecolari ancora non del tutto conosciuti che permettono ad una cellula di dividersi solo se sono necessarie altre cellule.

Il sistema di controllo molecolare consiste principalmente in una serie di complessi proteici, ciascuno composto da una subunità regolatrice detta ciclina e una subunità catalitica detta protein chinasi ciclina-dipendente (cdk).

Le cdk si legano ad una specifica ciclina formando un eterodimero (ciclina-cdk) in grado di fosforilare proteine bersaglio.

Nelle cellule proliferanti le cdk persistono in tutte le fasi, tuttavia vengono attivate dalle cicline solo in momenti ben definiti del ciclo per essere disattivate rapidamente subito dopo per la degradazione della corrispondente ciclina.

L'attivazione e la disattivazione di questi complessi regolano le transizioni G1→→→→S, S→→→→G2, G2→→→M.→

Biologia 4/132

Ciclina inattiva

CDK = Kinasi Dipendente da Ciclina

CDK inattiva +

Composto attivato

Proteina substrato P

P

P P

P

CDK inattiva Ciclina legata

dalla

ubiquitina e degradata nel proteasoma a livello del citoplama Esempi di proteine substrato :

lamine nella membrana nucleare, proteine istoniche, proteina Rb…

Proteina substrato

fosforilazione

Biologia 4/133

Tra i vari complessi che regolano i vari passaggi tra gli stadi del ciclo ricordiamo:

- il complesso ciclina-cdk di fase S che induce la cellula ad entrare in fase S

- MPF complesso ciclina-cdk mitotico che induce la cellula ad entrare in mitosi.

Biologia 4/134

G

DNA

Rb

DNA E2F P P

P

P

Viene indotta

l’espressione di geni i cui prodotti sono

indispensabili per il passaggio alle fasi successive del ciclo cellulare

Rb E2F

Proteina del retinoblastoma

Fattore di trascrizione

M

Ciclina B Cdc2=Cdk1

S

Ciclina A Cdk 2

G

Cicline A, B Cdc2=Cdk1

Ciclina E Cdk 2

p15 p16 p18 p19

Ciclina D Cdk 4,6

+

Rb E2F

DNA

Proteina del retinoblastoma non fosforilata Fattore di

trascrizione che rimane legato a RB

Ciclina E Cdk 2

+

Viene impedita la trascrizione dei geni necessari per il passaggio alle fasi successive del ciclo cellulare che quindi subisce un blocco.

p27 p57

p21

Stimolo

stressogeno, danno al DNA etc.

p53

+

Fattori Che Modificano Il Ciclo Cellulare

Il ciclo cellulare è regolato da stimoli provenienti da fattori proteici esogeni.

Tra questi ricordiamo gli

ORMONI

FATTORI DI CRESCITA

Tutti i fattori che arrivano ad una cellula possono agire perché la cellula (cellula bersaglio) possiede

RECETTORI

Es. Le cellule nervose presentano un recettore specifico per il fattore di crescita del nervo NGF capace di promuove la crescita degli assoni.

Biologia 4/135

Tutti i recettori una volta legato il rispettivo ligando innescano una risposta cellulare che consiste nell'attivazione di protein Kinasi capaci di trasferire un gruppo P da ATP a proteine bersaglio che a loro volta si fosforilano.

RECETTORI

1) Glicoproteine di membrana che riconoscono ligandi (es. fattori di crescita: primi messaggeri).

Posseggono un sito di riconoscimento extracellulare per il ligando e un sito intracellulare per la risposta cellulare.

Biologia 4/136

Molecola stimolatrice

Recettore di membrana

Transduzione del segnale (ad es.

attraverso il sistema delle MAPKinasi)

Espressione dei geni per Cicline, CDK, fattori di trascrizione, enzimi per la sintesi di DNA etc..

Preparazione per la divisione cellulare

NUCLEO

Si distinguono tre tipi di recettori:

A) recettori che possiedono attività chinasica

B) recettori che attivano la via dell'AMP ciclico

C) recettori che attivano la via dell'inositolo e del diacilglicerolo

Biologia 4/137

2) recettori che si trovano all'interno della cellula che riconoscono ligandi di natura idrofobica (Vit.A,D, ormoni steroidei, tiroidei).

Esplicano la loro attività direttamente nel nucleo.

Posseggono:

- un dominio per il ligando (es. ormone)

- un dominio per il DNA (es. sequenza di riconoscimento sul DNA)

- un dominio per un fattore proteico che lega il DNA (fattori di trascrizione specifici).

Biologia 4/138

Apoptosi

(morte cellulare programmata)

Il numero delle cellule di un determinato tessuto è regolato dalla proliferazione, dal differenziamento, dall'arresto della crescita e dalla morte cellulare.

Infatti le cellule normalmente dopo circa 30-50 generazioni perdono la capacità replicativa e vanno incontro alla morte cellulare programmata detta apoptosi.

L'apoptosi è caratterizzata da frammentazione del nucleo e rottura del DNA in piccoli frammenti. Alla fine del processo il citoplasma con alcuni frammenti del nucleo inclusi forma i corpi apoptotici.

Biologia 4/139

Sono stati individuati alcuni geni che producono proteine che regolano il processo di apoptosi.

Tali geni che promuovono l'arresto della crescita cellulare sono detti

geni oncosoppressori (es. p53).

Il processo apoptotico viene eseguito tra 15-60 minuti mentre la decisione per la cellula di entrare in apoptosi può durare da pochi minuti ad alcune ore.

L'apoptosi non deve essere confusa con la necrosi che è una morte non programmata ma accidentale. Quest'ultima provoca danneggiamento del tessuto ed è caratterizzata dalla dissoluzione di tutti gli organelli primi fra tutti i mitocondri.

Biologia 4/140

Famiglie di geni i cui prodotti sono implicati nel controllo del ciclo cellulare

PROTO-ONCOGENI: stimolano la proliferazione – i loro prodotti

possono essere: Fattori di crescita, Recettori di membrana, Molecole transduttrici del segnale, Fattori di trascrizione nucleari

Nelle neoplasie essi sono alterati ONCOGENI. E’

sufficiente che l’oncogene sia presente in 1 solo dei 2 alleli perché si evidenzi il fenotipo alterato (= eccesso di proliferazione cellulare).

ONCOSOPPRESSORI: frenano la proliferazione – i loro prodotti possono essere: proteine che bloccano i fattori di trascrizione (es. Rb), proteine che inibiscono l’attività dei sistemi ciclina+CDK (es. p16), proteine (es.

p53) che inibiscono la progressione del ciclo cellulare in modo indiretto (es. tramite induzione di inibitori delle CDK [p21/WAF]).

L’assenza del controllo negativo sulla proliferazione si manifesta fenotipicamente solo quando l’oncosoppressore è deleto o mutato in entrambi gli alleli. E’ quello che si

verifica in molte neoplasie ( = eccesso di proliferazione cellulare per mancanza dell’azione frenante

dell’oncosoppressore).

In quale fase del ciclo cellulare agiscono i fattori di crescita di competenza:

A) fase G1 precoce B) Fase G2 precoce C) Fase S

D) Fase M

Biologia 4/141

Cosa sono i fattori di crescita:

a) Sostanze vitaminiche

b) Proteine necessarie per la proliferazione cellulare

c) Fattori necessari all’accrescimento della catena polipeptidica d) Condizioni ambientali che favoriscono la crescita di una

popolazione

e) Fattori necessari alla maturazione di una molecola di mRNA

Biologia 4/142

Che cosa si intense per fase Gz?

a) La fase del ciclo in cui si ritrovano cellule che hanno perso ogni capacità di ritornare in ciclo

b) La fase del ciclo che precede le fasi G1 e G2

c) La fase in cui si ritrovano alcune cellule che possono ritornare in ciclo dopo opportuna stimolazione

d) La fase del ciclo che precede la mitosi

Biologia 4/143