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C ll lC ll lCelluleCellule
Francesco BemporadFrancesco Bemporad
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Scoperta delle celluleScoperta delle cellule
• Invenzione di rudimentalii imicroscopi
• Robert Hooke (1665): osserva ilsughero. Describe piccoleg pcellette (da cui il termine“cellula”).)
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Scoperta di cellule vivep• Anton van Leeuwenhoek (1675):
1. per primo osserva cellule vive;
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Teoria cellulareTeoria cellulare
• Alcune pietre miliari
– Matthias Schleiden (1838): Conclude che tutte le piante sonofatte da cellule
– Theodor Schwann (1839): Conclude ( )che tutti gli animali sono fatti da cellule
– Rudolph Virchow (1855): Determinache le cellule si originano solo dache le cellule si originano solo da altre cellule
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Teoria cellulareTeoria cellulare
• Elementi cardine della teoria cellulare
1. Tutti gli organismi sono composti da una o piu’ cellulecellule.
2. Le cellule sono le unita’ morfologiche e f l d llfunzionali della vita.
3. Le cellule si originano SOLO da cellule.g
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Diversita’ cellulare
• Dimensioni
• Forma
• Organizzazione interna• Organizzazione interna
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DimensioniDimensionicellulari
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Le cellule piu’ piccole
Diversita’ cellulare ‐ dimensioniLe cellule piu’ grandi:
Per volumePer lunghezza:
Le cellule piu grandi:
O i hOstrich Egg
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Rapporto Area di superficie/volumeSA = 6lwV = lwh
SA = 6 mm2
SA = 24 mm2
V = 1 mm3
3
SA/V = 6:1
V = 8 mm3
SA/V = 3:1
SA = 96 mm2
V 64 3V increases faster than SA
V = 64 mm3
SA/V = 1.5:1
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Diversita’ cellulare – organizzazione internag
• Nucleo: contiene il DNA e conseguentementedirige l’attivita’ biolgica della cellula
• Organello: componente cellulare che svolge unaOrganello: componente cellulare che svolge unaspecifica attivita’
l ll h• Eucarioti: contengono un nucleo e organelli cheinteragiscono con la membrana
• Procarioti: privi di nucleo e organelli cheinteragiscono con la membranainteragiscono con la membrana
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Alcuni concettiAlcuni concetti
fifi l’ i i•• FototrofiFototrofi = ottengono l’energia necessariadalla luce
•• ChemiotrofiChemiotrofi = ottengono l’energia necessariaattraverso l’ossidazione di composti;p ;
•• AutotrofiAutotrofi = Sintetizzano le molecole organichea partire da composti inorganici quali CO ea partire da composti inorganici quali CO2 e H2OEt t fiEt t fi P i l t i h•• EterotrofiEterotrofi = Per essi le sostanze organichesono nutrienti;
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Andamento temporale dellaclassificazione in domini
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Alcuni concettiAlcuni concetti
•• ProtistiProtisti (organismi con organizzazione piuttosto semplice chenon possono essere classificati come animali, piante o funghi)
1 P t i ti ti i ili d i li (M ti h S di1. Protozoi, protisti simili ad animali (Mastigophora, Sarcodina, Sporozoa, Ciliata)
2 Alghe i protisti simili a piante (Chlorophyta rhodophyta2. Alghe, i protisti simili a piante (Chlorophyta, rhodophyta, etc.)
3 Protisti simili a funghi (mixomiceti: producono spore e3. Protisti simili a funghi (mixomiceti: producono spore e possono unire le loro cellule formando una cellula unica con molti nucleo detta plurinucleata)
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Woese (1990)Woese (1990)
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ArchaeaArchaeaArchaeaArchaea
l 9 C l G d ll' i i à d ll' lli i d ' li i• Nel 1977, Carl Woese e George Fox dell'università dell'Illinois condussero un'analisifilogenetica comparativa, basata sulle sequenze del DNA e dell'RNA della piccolasubunità ribosomiale (subunità 16S), che permise la distinzione dei procarioti ind di i d i i E b t i A h b t i difi ti i l 1990 idue diversi domini: Eubacteria e Archaebacteria, modificati poi nel 1990 inBacteria e Archaea.
1.1. AlofiliAlofili: vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M)
2.2. TermofiliTermofili: vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)
3.3. PsicrofiliPsicrofili: vivono a basse temperature (‐10 gradi)
4.4. AcidofiliAcidofili: vivono a valori di pH molto bassi.p
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VIRUSVIRUSVIRUSVIRUS
VIRUSVIRUS = piccola particella infettiva visibile solo al microscopio elettroonico. Contiene:
U i di id l i (DNA RNA)• Un tipo di acido nucleico (DNA o RNA);• Una struttura prteica denominata capside• Un involucro membranoso denominato
pericapsidepericapside;
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VIRUSVIRUSVIRUSVIRUS
VIRUSVIRUS = parassita endocellulareobbligato. Al di fuori della cellulai i i i d i iin cui si riproduce, un virus vienechiamato virione.
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VIRUSVIRUSVIRUSVIRUS
CICLO LITICO: CICLO LITICO: Il DNA virale viene espresso dal macchinario del batterio fino alla lisi.
CICLO LISOGENO:CICLO LISOGENO: Il DNA virale si integra nel DNA del batterio, dando un profago cheviene riprodotto indefinitamente.
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VIRUSVIRUSVIRUSVIRUS
VIRUS DELL’AIDS (HIV): VIRUS DELL’AIDS (HIV): due molecole a singolo filamento di DNA identiche + trascrittasi inversa;Infetta le cellule del sistema immunitario, risultando in immunodeficienza (che porta a morte).
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MEMBRANA PLASMATICAMEMBRANA PLASMATICAMEMBRANA PLASMATICAMEMBRANA PLASMATICA
• Isolamento
• Regolazione degli scambi con l’ambienteRegolazione degli scambi con l ambiente
• Trasduzione del segnale
• Supporto strutturale
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Il 42% della massa della membrana e’ fatta da fosfolipidi;
Altri costituenti sono di natura proteica, piu’ ilcolesterolo e gli sfingolipidig g p
I fosfolipidi sono molecole anfipatiche fatte da una testa idrofilica e due code idrofobiche.
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CARATTERISTICHE DELLA MEMBRANACARATTERISTICHE DELLA MEMBRANA
Fl id ( t l t li i t )- Fluida (catene laterali insature);
- Selettivamente permeablie (permette il- Selettivamente permeablie (permette ilpassaggio di piccole molecoleidrofobiche)idrofobiche)
- Il colesterolo serve a mantenere laIl colesterolo serve a mantenere la fluidita’ della membrana
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CARBOIDRATI DELLACARBOIDRATI DELLA MEMBRANAMEMBRANACARBOIDRATI DELLA CARBOIDRATI DELLA MEMBRANAMEMBRANA
• 3‐5 % della membrana
• Proteoglicani, glicoproteine e glicolipidiProteoglicani, glicoproteine e glicolipidi
• Glicocalice– Lubrication and protection
– Anchoring and locomotiong
– Specificity in binding
Recognition– Recognition
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MODELLO A MOSAICO MODELLO A MOSAICO FLUIDO (Singer, FLUIDO (Singer, Nicholson)Nicholson)))
Le proteine galleggiano come iceberg in unLe proteine galleggiano come iceberg in un mare di fosfolipidi, che possono diffondere e
troteare
Le proteine possono essere integraliintegrali((canalicanali, , trasportatoritrasportatori) ) o perifericheperiferiche ((recettorirecettori, , (( ,, pp )) pp (( ,,enzimienzimi, , proteineproteine di di identitaidentita’ ’ cellularecellulare).).
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Membrane proteinsMembrane proteins
• Anchoring proteins
• Recognition proteinsRecognition proteins
• Enzymes
• Receptor proteins
• Carrier proteinsCarrier proteins
• Channels
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Giunzioni intercellulariGiunzioni intercellulariTight junctions – membranes of adjacent cells g j jbound together by occludins and claudinsforming an impermeable junctionforming an impermeable junction.
• Desmosomes are protein “spot welds” in skin and cardiac muscle:– plaques, linker protein filaments, and thicker filaments across inside of cellfilaments across inside of cell
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Intercellular junctions
• Gap junctions are tubular channels (conne ons) that connect the c toplasm of(connexons) that connect the cytoplasm of one cell with that of another.– Ions, simple sugars and other small molecules
• Cellular Adhesion Molecules help cells formCellular Adhesion Molecules help cells form
• temporary attachments to other cells. CAMs
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Membrane proteins• Anchoring proteins• Recognition proteins• Recognition proteins• Enzymes• Receptor proteins
– Ligands bindg
• Carrier proteins– allows establishment of electrochemical gradient– allows establishment of electrochemical gradient
• Channels• Rafts –lipid rafts – tails saturated; more cholesterol
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Membrane PhysiologyMembrane Physiology• Cell membrane function:Cell membrane function:
– Cellular communication
– Establish an electrochemical gradient
– Are selectively permeable• Lipids
• Size
• Electrical charge
• Presence of channels and transportersp
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MOVIMENTO DI MATERIALEMOVIMENTO DI MATERIALEMOVIMENTO DI MATERIALEMOVIMENTO DI MATERIALE
• Processi passivi:– Dipendono dalla concentrazionep
– Non richiede energia
Muove sostanze secondo gradiente di– Muove sostanze secondo gradiente di concentrazione;
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DIFFUSIONEDIFFUSIONEDIFFUSIONEDIFFUSIONE
• Dipende da:– Temperatura;p ;
– Gradiente;
Distanza ;– Distanza ;
– Dimensione molecolare;
– Forze elettriche;
• Raggiunge un equilibrioequilibrio oRaggiunge un equilibrioequilibrio o
• Lo statostato stazionariostazionario
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DUE TIPOLOGIE
• DIFFUSIONE SEMPLICE
• DIFFUSIONE FACILITATA• DIFFUSIONE FACILITATALimitata dal numero di canali a disposizione
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OSMOSIOSMOSIOSMOSIOSMOSI
• Movimento d’acqua attraverso una membranasemipermeabilep
• Si muove secondo gradiente di concentrazioned’acquad acqua
• Genera una pressione (osmotica)
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TONICITA’TONICITA’TONICITATONICITA
• Cconcentrazione di una soluzione rispetto ad un’altra
•• ISOTONICOISOTONICO = stessa pressione osmotica0 9 % N Cl 5% l i– 0.9 % NaCl or 5% glucosio.
•• IPOTONICOIPOTONICO = inferiore pressione osmotica
•• IPERTONICOIPERTONICO = maggiore pressione osmotica
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Cellula in soluzioneipertonica--crenazione
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Cellula inCellula in soluzionei t iipotonica
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OSMOSIOSMOSIOSMOSIOSMOSI
• Elimina le differenze di concentrazione piu’ velocemente della diffusione del soluto
• Aquaporine – canali per l’acqua
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DIFFUSIONE FACILITATADIFFUSIONE FACILITATADIFFUSIONE FACILITATADIFFUSIONE FACILITATA
• Usa trasportatori di membrana
• Secondo gradienteSecondo gradiente
• Specifica
• Limiti di saturazione
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FILTRAZIONEFILTRAZIONEFILTRAZIONEFILTRAZIONETipo di diffusione in cui ilpo d d us o e cumovimento d’acqua e solutoavviene attraverso unaavviene attraverso unamembrana grazie alla gravita’ o g galla pressione idrostatica
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TRASPORTO ATTIVOTRASPORTO ATTIVOTRASPORTO ATTIVOTRASPORTO ATTIVO
• Dipende dall’energia(ATP)
• Genera gradientiGenera gradienti
• Spesso vengono chiamate pompe– Na+ / K+ pump ‐ Na/K ATPase
– Others carry Ca++, Mg++, I‐, Cl‐ and Fe++y g
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TRASPORTO ATTIVOTRASPORTO ATTIVOTRASPORTO ATTIVOTRASPORTO ATTIVO
• Controtrasporto– Pompe di scambiop
• Cotrasporto o simportoM d ll di i– Muove due sostanze nella stessa direzione
– Una va secondo gradiente
– Usa energia per ripompare indietro una delle due sostanze
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TRASPORTO VESCICOLARETRASPORTO VESCICOLARETRASPORTO VESCICOLARETRASPORTO VESCICOLAREExocytosisExocytosis – spostare sostanze fuoriExocytosisExocytosis spostare sostanze fuori
EndocytosisEndocytosis – spostare sostanze dentroyy p
Pinocitosi – “cell drinking”
Fagocitosi – “cell eating”
Endocitosi mediata da recettori
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Receptor mediated endocytosisReceptor mediated endocytosis
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Exocytosis
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Il ciclo cellulare e la divisioneIl ciclo cellulare e la divisionecellulare
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Fasi del ciclo cellulareFasi del ciclo cellulare• Due fasi principali
f l ’ ll l– Interfase: normale attivita’ cellulare
– MITOSI: divisione cellulare
INTERPHASE
Growth
G 1 (DNA synthesis)
Growth
G2
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DNADNA• Informazione genetica contenuta nel DNA
• Cromosoma: piccolo corpo di forma e strutturacostanti costituito nelle cellule eucariotiche dacostanti costituito nelle cellule eucariotiche da DNA e proteine (prevalentemente istoni)
50 µmFigure 12.3
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CROMOSOMICROMOSOMI
• Un eucariote ha circa 1000 volte il DNA di un procariotep
• L’organizzazione del cromosoma eucariote e’ molto piu’ complessa di quanto osservato neimolto piu complessa di quanto osservato neiprocarioti
![Page 69: mia presentazione 1 - UniFI€¦ · 1.1. Alofili Alofili:vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M) 2.2. Termofili Termofili: vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052102/603c6913eb388035f2155918/html5/thumbnails/69.jpg)
Organizzazione del DNA nei procariotiOrganizzazione del DNA nei procarioti
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O i i d l DNA li i iOrganizzazione del DNA negli eucarioti
![Page 71: mia presentazione 1 - UniFI€¦ · 1.1. Alofili Alofili:vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M) 2.2. Termofili Termofili: vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052102/603c6913eb388035f2155918/html5/thumbnails/71.jpg)
O i i d l DNA li i iOrganizzazione del DNA negli eucarioti
Ogni duecento basi, il DNA si arrotola intorno ad un “rocchetto” fatto da 8 istoni, formando un nucleosoma
![Page 72: mia presentazione 1 - UniFI€¦ · 1.1. Alofili Alofili:vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M) 2.2. Termofili Termofili: vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052102/603c6913eb388035f2155918/html5/thumbnails/72.jpg)
CROMOSOMICROMOSOMI
• L’informazione genetica e’ contenuta neicromosomi.– La maggior parte delle cellule eucariote ha tra 10 e 50 cromosomi.e 50 cromosomi.
– Nell’uomo ci sono 46 cromosomi, divisi in 23 coppiecoppie.
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CariotipoCariotipo• Corredo cromosomico di un individuo;• Si fotografano I cromosomi quando sono condensati (cioe’ durante la divisione) e li si
dispongono in ordinedispongono in ordine• In un individuo sano ci sono 46 cromosomi (sindrome di Down: trisomia 21; 47,XXY or
XXY, sindrome di Klinefelter)
Coppia di cromosomi5 µm
Coppia di cromosomiomologhi
Centromere
Sisterchromatids
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CROMOSOMI
I ll l di l id I i i
CROMOSOMI
• In una cellula diploide, I cromosomi occorrono in coppie di cromosomi omologhi
• Comosomi non omologhi• Comosomi non omologhi– Appaiono diversi– Controllano tratti diversi– Controllano tratti diversi
• Cromosomi sessuali– Sono rappresentati come X e Y– Sono rappresentati come X e Y– Determinano il sesso (XX femmina; XY maschio)
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DETERMINAZIONE DEL SESSODETERMINAZIONE DEL SESSO
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CROMOSOMI• Una cellula diploide ha due copie di ciascun cromosoma
h 6 i (2 6)
CROMOSOMI
• Un uomo ha 46 cromosomi (2n = 46)
• Dopo la fase S (sintesi DNA) tutti I cromosomi sono duplicati e consistono in due cromatidi identici
Maternal set ofchromosomes (n = 3)
2n = 6Paternal set ofchromosomes (n = 3)
Two sister chromatidsf li t dof one replicated
chromosome
Centromere
Two nonsisterchromatids ina homologous pair
Pair of homologouschromosomes(one from each set)
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CROMOSOMI• Cromosomi omologhi:
CROMOSOMI
• Appaiono identici
• Controllano gli stessi tratti (ma potrebberocodificare per forme differenti dello stesso tratto)
• Hanno origine diversa (uno da ciascun genitore)
![Page 78: mia presentazione 1 - UniFI€¦ · 1.1. Alofili Alofili:vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M) 2.2. Termofili Termofili: vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052102/603c6913eb388035f2155918/html5/thumbnails/78.jpg)
CROMOSOMI• Prima della mitosi, I cromosomi sono replicati e poi condensano
• Ciascun cromosoma duplicato ha due cromatidi che si separano durante la mitosi
CROMOSOMI
0.5 µmA eukaryotic cell has multipleh f hi h i
• Ciascun cromosoma duplicato ha due cromatidi che si separano durante la mitosi.
Chromosomeduplication
chromosomes, one of which is represented here. Before
duplication, each chromosomehas a single DNA molecule.
(including DNA synthesis)
CentromereOnce duplicated, a chromosomeconsists of two sister chromatids
connected at the centromere. Each
Sister
chromatid contains a copy of the DNA molecule.
Separation of sister
chromatids
Sisterchromatids
Mechanical processes separate the sister chromatids into two
Centrometers Sister chromatids
chromosomes and distribute them to two daughter cells.
![Page 79: mia presentazione 1 - UniFI€¦ · 1.1. Alofili Alofili:vivono in ambienti ad alta salinita’ (fino a 6 M) 2.2. Termofili Termofili: vivono ad alte temperature (fino a 100 gradi)](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022052102/603c6913eb388035f2155918/html5/thumbnails/79.jpg)
CROMOSOMI
I idi i i d
CROMOSOMI
• I cromatidi sono uniti da un centromero centromerocentromero.• I due cromatidi sono identici (a meno di mutazioni):
Non-sisterchromatidschromatids
Centromere Duplication
Sister Sister
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Two unduplicatedchromosomes
chromatids chromatids
Two duplicated chromosomes
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CROMOSOMI– Diploide – Due copie di ciascun cromosoma (cellule del corpo).
CROMOSOMI
• Cromosomi omologhi fatti da due cromatidi uniti al centromero.
– Aploide – Una sola copia di ciascun cromosoma (cellule sessuali).
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CROMOSOMI• Il centromero contiene una sequenza di DNA specifica alla quale sono legati
due dischi di proteine, il cinetocorecinetocore.Il i t f t di tt d i i t b li l I li i ’ l
CROMOSOMI
• Il cinetocore funge per punto di attacco dei microtubuli lungo I quali si avra’ la divisione dei cormatid.:
Metaphase chromosome
Kinetochore
Centromereregion ofchromosome
Kinetochoremicrotubules
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Sister Chromatids
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FASI DEL CICLOFASI DEL CICLO
ff•• InterfaseInterfase
–– GG11 ‐ crescita
–– SS ‐ sintesiSS sintesi
–– GG22 ‐ crescita
•• MM ‐mitosi
•• CC ‐ citochinesi
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INTERFASEINTERFASE
•• GG11 ‐ Crescita
•• SS – replicazione dei cromosomi (sintesisintesi) a produrre ISS replicazione dei cromosomi (sintesisintesi) a produrre I cromatidicromatidi::
Uniti al centromerocentromero– Uniti al centromerocentromero
– Con siti di aggancio (ilil cinetocorecinetocore)
•• GG22 – Condensazione dei cromosomi – Assemblaggiodel macchinario per la divisionep
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MITOSIMITOSICiascuna cellula figlia riceve una copia dei cromosomipresenti nella cellula madrepresenti nella cellula madre. Produce due cellule identiche a quella di partenza.
li ireplicazione
Mit iMitosi
Cellula diploide
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Mitotic Division of an Animal Cell
G2 OF INTERPHASE PROPHASE PROMETAPHASE
CentrosomesCh ti Early mitotic Aster Fragments Kinetochore(with centriole pairs) Chromatin(duplicated)
Early mitoticspindle Centromere
gof nuclearenvelope
KinetochoreNonkinetochore
microtubules
Ki t hNucleolus Nuclearenvelope
Plasmamembrane
Chromosome, consistingof two sister chromatids
Kinetochoremicrotubule
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Mitotic Division of an Animal CellMitotic Division of an Animal Cell
METAPHASE ANAPHASE TELOPHASE AND CYTOKINESIS
MetaphaseMetaphaseplate Nucleolus
formingCleavagefurrow
Nuclear envelope
SpindleenvelopeformingCentrosome at
one spindle poleDaughter chromosomes
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G2 dell’interfase• Un rivestimento nucleare lega il nucleo• Un rivestimento nucleare lega il nucleo.• Presenza di uno o piu’ nucleoli.• Si formano due centrosomi da replicazionedi un singolo centrosoma.
N ll ll l i li i t h
G2 OF INTERPHASE
Centrosomes(with centriole pairs) Chromatin
• Nelle cellule animali ciascun centrosoma ha due centrioli.• I cromosomi non sono ancora condensati.
( p )(duplicated)
Nucleolus Nuclear PlasmaNucleolus Nuclearenvelope
Plasmamembrane
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Profase• Le fibre di cromatina cominciano ad esseredi ti ibilidistinguibili.• I nucleoli scompaiono.• Ciascun cromosoma appare come coppiadi cromatidi
PROPHASE
Early mitotic Asterdi cromatidi.• Si forma il fuso mitotico fatto da centrioli e microtubuli.• Spinti dai microtbuli I centrosomi si
yspindle Centromere
pallontanano gli uni dagli altri.
Chromosome consistingChromosome, consistingof two sister chromatids
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Metafase• La parte piu’ lunga, dura ca. 20 minuti.• I centrosomi sono ormai agli
METAPHASE
Metaphaseplateg
estremi opposti. •I centromeri si allineano lungolapiastra metafasica..
plate
• Il cinetocore si attacca aimicrotubuli.
Spindle Centrosome atSpindle Centrosome at one spindle pole
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FUSO MITOTICOFUSO MITOTICO• Insieme di centrosomi e microtubuli• Controlla il movimento dei cromosomi• Controlla il movimento dei cromosomi• I due centrosomi si dividono a partire da un centrosoma singlocentrosoma singlo
• L’assemblaggio dei microtubuli comincia proprio daicentrosomicentrosomi
• I microtubuli partono come raggi dal centrosoma.
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ANAFASEANAFASE• Il passaggio piu’ corto: dura solo pochiminuti.• Inizia nel momento in cui I cromatidi si• Inizia nel momento in cui I cromatidi siseparano.• I microtubuli si accorciano richiamando I cromatidi (a ca 1 µm/min)
ANAPHASE
cromatidi (a ca. 1 µm/min).• La cellula si allunga (altri microtubuli siallungano).• Alla fine, ai due estremi si trovano due a e, a due es e s o a o dueinsiemi di cromosomi identici.
Daughter hchromosomes
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TELOFASETELOFASE• Si formano due nuclei.•I cromosomi si decondensano.
TELOPHASE AND CYTOKINESIS
NucleolusCleavageI cromosomi si decondensano.• La mitosi e’ completae.
Nucleolusforming
gfurrow
Nuclear envelopeformingg
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MITOSI IN TIME LAPSEMITOSI IN TIME LAPSE
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CITOCHINESI• Cleavage of cell into two
h lhalves– Animal cells
Constriction belt of actin filaments
– Plant cellsCell plateCell plate
– Fungi and protistsMitosis occurs within the nucleus
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citochinesi
100 µmCleavage furrow
100 µm1 µmVesicles
forming cell plate
Wall of patent cell Cell plate
New cell wall
D ht ll
Contractile ring of microfilaments
Daughter cells
Daughter cells(a) Cleavage of an animal cell (SEM) (b) Cell plate formation in a plant cell (SEM)
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