Vol. 2° -  III.6.

IL CICLO CELLULARE

Per lo più le cellule hanno vita limitata nel tempo, in quanto cessano di essere un’individualità quando si dividono in due cellule figlie dotate delle stesse caratteristiche della cellula madre.

Tutte le cellule, eccettuati i globuli rossi e le cellule nervose, sono suscettibili di divisione, possono cioè generare, per mitosi, due cellule figlie con le stesse caratteristiche morfologiche e fisiologiche della cellula di partenza.

Quindi, in una cellula, si alternano mitosi e fase intermitotica, detta anche interfase. Il ciclo cellulare è l’insieme delle modificazioni cui va incontro una cellula da quando nasce per divisione della cellula madre al momento in cui finisce per dividersi in due cellule figlie.

Fig. III. 24 - Il ciclo cellulare

6.1. Interfase

La maggior parte del ciclo cellulare è occupata dall’interfase o intercinesi, compresa tra la fine di una mitosi e l’inizio della successiva. In questo periodo il nucleo è meccanicamente inattivo. L’interfase si suddivide in una fase G1, una fase S e una fase G2.

6.1.a. Fase G1

La fase G1, detta anche gap [1] o lacuna presintetica, segue immediatamente la mitosi. La durata di questa fase, che varia a seconda della natura della cellula, è breve: oscilla da 5 a 10 ore in cellule di mammiferi con elevato ritmo riproduttivo, è abbreviata nelle cellule cancerose, talvolta è persino nulla. Ma la cellula può abbandonare il pool proliferativo per differenziarsi: allora la fase G1 corrisponderà a una fase di crescita e di differenziazione.

Processi biosintetici durante la fase G1

· Assenza di sintesi di DNA. Nella fase G1 non vi è sintesi di DNA: tale periodo può quindi essere chiamato fase di presintesi o di preduplicazione del DNA. La cellula contiene la quantità di DNA caratteristica della specie, che nelle cellule somatiche corrisponde a 2n cromosomi (2x23 nella specie umana, 2x39 nel genere Gallus). Questa quantità rimane costante durante tutta la fase G1. In questo stadio i cromosomi sono formati da un filamento lasso di cromatina. Nei cromocentri questo filamento si ripiega su se stesso, mentre nelle zone in cui il nucleoplasma è chiaro i filamenti cromosomici non sono avvolti a gomitolo, ma rimangono distesi, costituendo così l’eucromatina.

· Elevata sintesi proteica. La fase G1 è la fase di crescita citoplasmatica, caratterizzata da elevata sintesi proteica, regolata dall’attività dei geni. Ogni gene sintetizza una molecola di RNA che ha il compito essenziale di trasmettere al citoplasma le informazioni necessarie alla proteosintesi, da cui il nome di RNA messaggero dato a questa molecola. Le proteine sono formate da elementi monomerici, gli aminoacidi, la cui sequenza condiziona la struttura specifica e le funzioni della molecola proteica. Durante la fase G1 la sintesi di RNA messaggero assicura la produzione delle proteine necessarie alla crescita della cellula e il DNA responsabile della sintesi di tale RNA è contenuto nell’eucromatina.

6.1.b. Fase S

La sigla S significa sintetica. La durata di questa fase è costante: 6¸8 ore. È caratterizzata dalla duplicazione di tutto il DNA nucleare.

La duplicazione del DNA

Nelle cellule procariotiche la duplicazione del DNA è di tipo semiconservativo e quest’ipotesi appare come la più probabile. Essa presenta le seguenti caratteristiche:

z La replicazione ha un orientamento e inizia in un punto particolare, detto sito d’inizio: i filamenti parentali si separano l’uno dall’altro nella regione dove avviene la sintesi di due nuovi filamenti, e rimangono uniti in due punti, i punti di biforcazione o punti di crescita. La zona in corrispondenza della quale i filamenti si presentano separati è detta occhiello di replicazione.

z La forca di separazione o forca di replicazione: a partire dai punti di crescita i due filamenti avvolti a spirale si separano, e questo punto prende il nome di forca di separazione. Le due eliche di DNA parentale si svolgono a una velocità che supera i 10.000 avvolgimenti/min. Il cromosoma contiene 300.000 spire e la replicazione avviene in 30 minuti. La despiralizzazione dipende dall’elicasi, e la zona in cui la molecola si presenta svolta  prende il nome di occhiello di replicazione, corrispondente al tratto di DNA compreso tra due forche di replicazione. Proteine destabilizzatrici permettono ai due filamenti di rimanere separati in corrispondenza dell’occhiello di replicazione.

La despiralizzazione procede in maniera tale che l’occhiello di replicazione si allunga, provocando una tensione sulle porzioni di DNA vicine alle forche di replicazione. La girasi nei batteri, e la topoisomerasi o proteina antielicante negli eucarioti, inducono un allentamento di questa tensione tagliando ai due lati uno dei due filamenti.

Fig. III. 25 - Duplicazione di una molecola di DNA

z La replicazione è bidirezionale in quanto avviene in ambedue le direzioni a partire dal sito d’inizio. Anche nelle cellule eucariotiche la replicazione del DNA è semiconservativa, orientata e bidirezionale.

Nelle cellule dei procarioti la velocità di replicazione del DNA è dell’ordine di 2 mm/min. Se una molecola di DNA degli eucarioti si replicasse partendo da un’estremità fino a completare il processo all’estremità opposta, la replicazione richiederebbe 110.000 minuti, cioè 76 giorni. Invece la sua durata è di 400 minuti e ciò significa che la replicazione avviene simultaneamente in più punti. Tali siti sono delle unità di replicazione o repliconi, che si riproducono per conto proprio. Negli eucarioti la loro lunghezza sarebbe pari a 40÷400 mm. Il replicone possiede un sistema di regolazione autonomo, formato dal gene iniziatore della replicazione e dal punto d’inizio della replicazione.

Enzimi che intervengono nella replicazione

Le DNA polimerasi isolate da Kornberg sia nel colibacillo che in cellule eucariotiche, intervengono nella separazione dei due filamenti e nella loro duplicazione. In vitro questi enzimi possono sintetizzare una nuova molecola di DNA a condizione che sia presente una piccola quantità di DNA con la funzione di stampo e a patto che siano presenti i quattro fosfonucleotidi sotto forma di nucleotidi trifosfati. In assenza di uno solo di questi trifosfonucleotidi la sintesi si arresta.

Nessuna DNA polimerasi nota può iniziare la sintesi di un filamento di DNA. Le DNA polimerasi possono solo catalizzare l’addizione di desossiribonucleotidi (dNTP) a un filamento preesistente. L’inizio della sintesi di DNA richiede la sintesi di un corto filamento di RNA, filamento primer o innesco, catalizzata dalla DNA primasi. Vengono prodotti solamente primers molto corti, di 3÷5 nucleotidi. I primers funzionano come catene nucleotidiche preesistenti, cui si possono aggiungere nuovi desossiribonucleotidi mediante reazioni catalizzate dalla DNA polimerasi. Gli RNA primers non faranno parte della nuova catena di DNA in quanto verranno rimossi e rimpiazzati con DNA per azione della DNA polimerasi.

A questo punto è necessario fare una chiara distinzione fra primer e stampo rispetto alla replicazione del DNA:

o il filamento stampo o elica stampo è quella su cui si forma la nuova elica seguendo la legge dell’appaiamento delle basi complementari; così, la sequenza di basi dell’elica stampo dirige la sintesi di una nuova elica con una sequenza di basi complementare

o il primer è un corto segmento di nucleotidi legato all’elica stampo, è un segmento nucleotidico che serve come substrato per l’azione della DNA polimerasi che allunga il primer in una nuova elica di DNA, la cui sequenza è complementare all’elica stampo.

Polarità della replicazione

Non appena la doppia elica si apre, le DNA polimerasi assicurano la replicazione spostandosi a leggere immediatamente il filamento principale e trascrivendo un filamento complementare di DNA dall’estremità 3’ verso quella 5’, vale a dire in un solo senso. Sappiamo che i due filamenti che formano una molecola di DNA sono antiparalleli. La sintesi avviene in modo separato su ciascun filamento: all’inizio sul filamento 1 nel senso 3’ ® 5’ per un breve tratto, poi sul filamento 2 nel senso 5’ ® 3’.

Appaiamento delle basi

La DNA polimerasi permette alle basi complementari di appaiarsi a quelle del filamento-stampo. Così, il filamento di DNA serve da modello, e il nuovo filamento sintetizzato è una copia di quello che si è separato prima della sintesi. Il filamento 1 forma un filamento 2’ o filamento leader, copia esatta del 2, e il filamento 2 forma un filamento 1’ o filamento in ritardo, copia esatta del filamento 1.

La lettura del filamento 2 comincia con un lieve ritardo e porta appunto alla formazione di un filamento in ritardo. Una primasi dirige la sintesi di un innesco di RNA complementare al filamento 2, innesco che permette a una DNA polimerasi di sintetizzare un frammento di DNA composto da un migliaio di nucleotidi.

Così vengono sintetizzati più frammenti di DNA, e la sintesi di ciascun frammento avviene sempre a partire da un innesco di RNA primer. Tali frammenti di DNA, o frammenti di Okazaki, perdono il segmento iniziale di RNA (demolito da una esonucleasi) dopo di che i segmenti di DNA del filamento in ritardo vengono legati l’uno all’altro ad opera di una ligasi.

6.1.c. Fase G2

Fase piuttosto breve, che dura 4-5 ore, nota anche come gap o lacuna postsintetica. Inizia quando la replicazione si è completata. Permangono attive le sintesi di RNA, e il DNA è presente in quantità doppia rispetto alla fase G1.

Fig. III. 26 - Replicazione del DNA.
Il modello è tratto dalla replicazione del DNA batterico.