Ciclo cellulare: definizione, fasi, regolazione e fatti

Divisione cellulare è vitale per la crescita e la salute di un organismo. Quasi tutte le cellule si impegnano nella divisione cellulare; alcuni lo fanno più volte nel corso della loro vita. Un organismo in crescita, come un embrione umano, utilizza la divisione cellulare per aumentare le dimensioni e la specializzazione dei singoli organi. Anche gli organismi maturi, come un essere umano adulto in pensione, usano la divisione cellulare per mantenere e riparare i tessuti del corpo. Il ciclo cellulare descrive il processo mediante il quale le cellule svolgono il loro lavoro designato, crescono e si dividono, quindi ricominciano il processo con le due cellule figlie risultanti. Nel 19° secolo, i progressi tecnologici nella microscopia hanno permesso agli scienziati di determinare che tutte le cellule derivano da altre cellule attraverso il processo di divisione cellulare. Questo alla fine ha smentito la credenza precedentemente diffusa che le cellule si generassero spontaneamente dalla materia disponibile. Il ciclo cellulare è responsabile di tutta la vita in corso. Indipendentemente dal fatto che accada nelle cellule delle alghe aggrappate a una roccia in una grotta o nelle cellule della pelle del tuo braccio, i passaggi sono gli stessi.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

La divisione cellulare è vitale per la crescita e la salute di un organismo. Il ciclo cellulare è il ritmo ripetuto della crescita e della divisione cellulare. Consiste nelle fasi interfase e mitosi, nonché nelle loro sottofasi e nel processo di citochinesi. Il ciclo cellulare è rigorosamente regolato da sostanze chimiche ai checkpoint durante ogni fase per assicurarsi che non si verificano mutazioni e che la crescita cellulare non avviene più velocemente di quanto è salutare per l'ambiente circostante tessuto.

Il ciclo cellulare consiste essenzialmente di due fasi. La prima fase è interfase. Durante l'interfase, la cellula si prepara alla divisione cellulare in tre sottofasi chiamate G₁ fase, fase S e G₂ fase. Alla fine dell'interfase, i cromosomi nel nucleo cellulare sono stati tutti duplicati. Attraverso tutte queste fasi, la cellula continua anche a svolgere le sue funzioni quotidiane, qualunque esse siano. L'interfase può durare giorni, settimane, anni e, in alcuni casi, per l'intera durata della vita dell'organismo. La maggior parte delle cellule nervose non lascia mai il G₁ fase di interfase, quindi gli scienziati hanno designato uno stadio speciale per cellule come loro chiamato G₀. Questa fase è per le cellule nervose e altre cellule che non entreranno in un processo di divisione cellulare. A volte questo è perché semplicemente non sono pronti o non sono designati, come le cellule nervose o le cellule muscolari, e questo è chiamato stato di quiescenza. Altre volte, sono troppo vecchi o danneggiati, e questo si chiama stato di senescenza. Poiché le cellule nervose sono separate dal ciclo cellulare, il danno ad esse è per lo più irreparabile, a differenza di a osso rotto, e questo è il motivo per cui le persone con lesioni alla colonna vertebrale o al cervello hanno spesso lesioni permanenti disabilità.

La seconda fase del ciclo cellulare è chiamata mitosi, o fase M. Durante la mitosi, il nucleo si divide in due, inviando una copia di ciascun cromosoma duplicato a ciascuno dei due nuclei. Ce ne sono quattro fasi della mitosi, e questi sono profase, metafase, anafase e telofase. Più o meno nello stesso momento in cui avviene la mitosi, si verifica un altro processo, chiamato citochinesi, che è quasi la sua fase. Questo è il processo mediante il quale il citoplasma della cellula e tutto il resto in esso si divide. In questo modo, quando il nucleo si divide in due, ci sono due di tutto nella cellula circostante per andare con ogni nucleo. Una volta completata la divisione, la membrana plasmatica si chiude attorno a ogni nuova cellula e si stacca, dividendo completamente le due nuove cellule identiche l'una dall'altra. Immediatamente, entrambe le cellule sono di nuovo nella prima fase dell'interfase: G₁.

G₁ sta per Gap fase 1. Il termine "gap" deriva da un'epoca in cui gli scienziati stavano scoprendo la divisione cellulare al microscopio e trovavano lo stadio mitotico molto eccitante e importante. Hanno osservato la divisione del nucleo e il relativo processo citocinetico come prova che tutte le cellule provenivano da altre cellule. Il fasi di interfase, tuttavia, sembrava statico e inattivo. Pertanto, li consideravano periodi di riposo o interruzioni di attività. La verità, tuttavia, è che G₁ – e G₂ alla fine dell'interfase – sono periodi di crescita movimentati per la cellula, in cui la cellula cresce di dimensioni e contribuisce al benessere dell'organismo in qualunque modo sia “nata” a fare. Oltre ai suoi normali compiti cellulari, la cellula costruisce molecole come proteine ​​e acido ribonucleico (RNA).

Se il DNA della cellula non è danneggiato e la cellula è cresciuta a sufficienza, procede nella seconda fase dell'interfase, chiamata fase S. Questo è l'abbreviazione di fase di sintesi. Durante questa fase, come suggerisce il nome, la cellula dedica una buona quantità di energia alla sintesi delle molecole. Nello specifico, la cellula replica il suo DNA, duplicando i suoi cromosomi. Gli esseri umani hanno 46 cromosomi nelle loro cellule somatiche, che sono tutte cellule che non sono cellule riproduttive (sperma e ovuli). I 46 cromosomi sono organizzati in 23 coppie omologhe che sono unite tra loro. Ciascun cromosoma in una coppia omologa è chiamato omologo dell'altro. Quando i cromosomi vengono duplicati durante la fase S, sono avvolti molto strettamente attorno alla proteina dell'istone filamenti chiamati cromatina, che rende il processo di duplicazione meno soggetto a errori di replicazione del DNA, o mutazione. I due nuovi cromosomi identici ora sono chiamati ciascuno cromatidi. Filamenti di istoni legano insieme i due cromatidi identici in modo che formino una sorta di forma a X. Il punto in cui sono legati si chiama centromero. Inoltre, i cromatidi sono ancora uniti al loro omologo, che ora è anche una coppia di cromatidi a forma di X. Ogni coppia di cromatidi è chiamata cromosoma; la regola generale è che non c'è mai più di un cromosoma attaccato a un centromero.

L'ultima fase dell'interfase è G₂, o Gap fase 2. A questa fase è stato dato il nome per le stesse ragioni di G₁. Proprio come durante G₁ e fase S, la cellula rimane occupata con i suoi compiti tipici durante tutto lo stadio, anche quando termina il lavoro di interfase e si prepara alla mitosi. Per prepararsi alla mitosi, la cellula divide i suoi mitocondri, così come i suoi cloroplasti (se ne ha). Inizia a sintetizzare i precursori delle fibre del fuso, che sono chiamati microtubuli. Li fa replicando e impilando i centromeri delle coppie di cromatidi nel suo nucleo. Le fibre del fuso saranno cruciali per il processo di divisione nucleare durante la mitosi, quando i cromosomi dovranno essere separati nei due nuclei che si separano; assicurarsi che i cromosomi corretti arrivino al nucleo corretto e rimangano accoppiati con l'omologo corretto sono fondamentali, per prevenire mutazioni genetiche.

I marcatori di divisione tra le fasi del ciclo cellulare e le sottofasi dell'interfase e della mitosi sono artifici che gli scienziati utilizzano per descrivere il processo di divisione cellulare. In natura, il processo è fluido e senza fine. Il primo stadio della mitosi è chiamato profase. Inizia con i cromosomi nello stato in cui si trovavano alla fine del G₂ stadio di interfase, replicato con cromatidi fratelli attaccati da centromeri. Durante la profase, il filamento di cromatina si condensa, il che consente ai cromosomi (cioè ogni coppia di cromatidi fratelli) di diventare visibili al microscopio ottico. I centromeri continuano a crescere in microtubuli, che formano fibre del fuso. Alla fine della profase, la membrana nucleare si rompe e le fibre del fuso si collegano per formare una rete strutturale in tutto il citoplasma della cellula. Poiché i cromosomi ora fluttuano liberi nel citoplasma, le fibre del fuso sono l'unico supporto che impedisce loro di fluttuare fuori strada.

La cellula entra in metafase non appena la membrana nucleare si dissolve. Le fibre del fuso spostano i cromosomi all'equatore della cellula. Questo piano è noto come equatore del fuso o piastra metafase. Non c'è niente di tangibile lì; è semplicemente un piano in cui tutti i cromosomi si allineano e che taglia in due la cellula orizzontalmente o verticalmente, a seconda di come stai visualizzando o immaginando la cella (per una rappresentazione visiva di ciò, vedi risorse). Nell'uomo ci sono 46 centromeri e ognuno è attaccato a una coppia di sorelle cromatidi. Il numero di centromeri dipende dall'organismo. Ciascun centromero è connesso a due fibre del fuso. Le due fibre del fuso divergono una volta usciti dal centromero, in modo da collegarsi a strutture ai poli opposti della cellula.

La cellula passa all'anafase, che è la più breve delle quattro fasi della mitosi. Le fibre del fuso che collegano i cromosomi ai poli della cellula si accorciano e si allontanano verso i rispettivi poli. In tal modo, separano i cromosomi a cui sono attaccati. Anche i centromeri si dividono in due mentre una metà viaggia con ciascuna sorella cromatide verso un polo opposto. Poiché ogni cromatide ora ha il proprio centromero, viene chiamato nuovamente cromosoma. Nel frattempo, diverse fibre del fuso attaccate a entrambi i poli si allungano, facendo crescere la distanza tra i due poli della cellula, in modo che la cellula si appiattisca e si allunghi. Il processo di anafase avviene in modo tale che alla fine ogni lato della cellula contenga una copia di ciascun cromosoma.

telofase è il quarto e ultimo stadio della mitosi. In questa fase, i cromosomi estremamente fitti, che sono stati condensati per aumentare l'accuratezza della replicazione, si srotolano. Le fibre del fuso si dissolvono e un organello cellulare chiamato reticolo endoplasmatico sintetizza nuove membrane nucleari attorno a ciascun set di cromosomi. Ciò significa che la cellula ora ha due nuclei, ciascuno con un genoma completo. La mitosi è completa.

Ora che il nucleo è stato diviso, anche il resto della cellula deve dividersi in modo che le due cellule possano separarsi. Questo processo è noto come citochinesi. È un processo separato dalla mitosi, sebbene spesso coincida con la mitosi. Succede in modo diverso nelle cellule animali e vegetali, perché dove le cellule animali hanno solo una membrana plasmacellulare, le cellule vegetali hanno una parete cellulare rigida. In entrambi i tipi di cellule, ora ci sono due nuclei distinti in una cellula. Nelle cellule animali, nel punto medio della cellula si forma un anello contrattile. Questo è un anello di microfilamenti che si stringono intorno alla cellula, stringendo la membrana plasmatica al centro come un corsetto fino a creare quello che è noto come un solco di scollatura. In altre parole, l'anello contrattile fa sì che la cellula formi una forma a clessidra che diventa sempre più pronunciata, fino a quando la cellula si stacca completamente in due cellule separate. Nelle cellule vegetali, un organello chiamato complesso di Golgi crea vescicole, che sono sacche di liquido legate alla membrana lungo l'asse che divide la cellula tra i due nuclei. Quelle vescicole contengono polisaccaridi che sono necessari per formare la piastra cellulare e alla fine la piastra cellulare si fonde e diventa parte della parete cellulare che un tempo ospitava la singola cella originale, ma ora ne ospita due cellule.

Il ciclo cellulare richiede una grande quantità di regolazione per assicurarsi che non proceda senza che siano soddisfatte determinate condizioni all'interno e all'esterno della cellula. Senza quel regolamento, ci sarebbero mutazioni genetiche incontrollate, crescita cellulare fuori controllo (cancro) e altri problemi. Il ciclo cellulare ha una serie di punti di controllo per assicurarsi che le cose procedano correttamente. In caso contrario, vengono eseguite le riparazioni o viene avviata la morte cellulare programmata. Uno dei principali regolatori chimici del ciclo cellulare è la chinasi ciclina-dipendente (CDK). Esistono diverse forme di questa molecola che operano in diversi punti del ciclo cellulare. Ad esempio, la proteina p53 è prodotto dal DNA danneggiato nella cellula e che disattiverà il complesso CDK al G₁/S checkpoint, arrestando così il progresso della cellula.