La complessità della divisione cellulare e la gestione del DNA

La complessità della scissione binaria

La scissione binaria è poco complessa perché il materiale genetico delle cellule procariotiche consiste solo di una singola molecola circolare di DNA. In una cellula eucariotica, invece, la distribuzione del DNA alle cellule figlie è un processo ben più complicato, perché l'informazione genetica è suddivisa in molti cromosomi contenuti nel nucleo. Ogni specie ha un numero di cromosomi caratteristico. Le cellule di una zanzara presentano 6 cromosomi; quelle di una cavalletta, una pianta di riso o un pino ne hanno 24; gli esseri umani 46; i cani e i polli 78; una carpa 104. Questi numeri sono tutti pari, perché gli organismi che si riproducono sessualmente ereditano due corredi cromosomici, uno da ciascun genitore. Gli spermatozoi e gli ovuli umani, per esempio, contengono 23 cromosomi ciascuno; la fecondazione produce quindi un figlio con 46 cromosomi in ogni cellula.

La struttura dei cromosomi eucariotici

Con così tanto materiale genetico, una cellula eucariotica deve soddisfare due esigenze: avere accesso alle informazioni contenute nel DNA e poter organizzare il suo materiale genetico in una forma che sia trasferibile con facilità alle due cellule figlie. Per capire come la cellula riesca a bilanciare queste due necessità, dobbiamo esaminare più da vicino la struttura dei cromosomi. I cromosomi delle cellule eucariotiche sono composti da cromatina, un termine con il quale si indica tutto il DNA della cellula e le proteine a esso legate. Queste ultime comprendono gli enzimi che contribuiscono a duplicare il DNA e a trascriverlo in una sequenza di RNA, e le proteine di supporto attorno alle quali si avvolge il DNA prima di essere sistemato ordinatamente dentro la cellula.

Il ripiegamento del DNA

Per capire l'importanza del ripiegamento (o spiralizzazione) del DNA dobbiamo considerare due dati: se srotolassimo il DNA di una nostra cellula, misurerebbe circa 2 metri da un capo all'altro; inoltre, se le basi del DNA di tutti i 46 cromosomi contenuti nella medesima cellula fossero stampate come A, C, Te G, i miliardi di lettere risultanti riempirebbero 4000 libri da 500 pagine ciascuno. Come fa dunque una cellula di soli 100 micron di diametro a contenere così tanto materiale? Grazie ai differenti gradi di spiralizzazione del DNA. Il primo livello è costituito dai nucleosomi, composti da un segmento di DNA avvolto intorno a otto proteine (istoni). Un filamento continuo di DNA collega i nucleosomi come un filo collega le perle di una collana. Fra una divisione cellulare e la successiva, la cromatina, che rappresenta il secondo livello di spiralizzazione, si vede appena perché i nucleosomi sono poco compatti; il DNA, infatti, è poco spiralizzato in modo che la cellula possa accedere alle informazioni che contiene per produrre le proteine necessarie alla sua attività metabolica. Anche la duplicazione del DNA, che precede la divisione cellulare, richiede una spiralizzazione piuttosto lassa per consentire l'accesso degli enzimi .

La spiralizzazione e la divisione cellulare

L'aspetto del materiale genetico cambia subito dopo la sua duplicazione. I nucleosomi si ripiegano a formare strutture sempre più grandi, fino a far apparire la configurazione compatta del cromosoma. La spiralizzazione del DNA equivale in qualche modo ad avvolgere un filo lunghissimo su una spoletta: così come il filo occupa meno spazio ed è più facile da trasportare rispetto a un mucchio di filo sciolto, allo stesso modo per la cellula il DNA impacchettato in cromosomi è più facile da gestire rispetto a un groviglio di cromatina.

La separazione dei cromatidi fratelli

Una volta duplicato e addensato, il cromosoma presenta parti facilmente identificabili: due molecole di DNA compatte e identiche chiamate cromatidi fratelli, uniti da una piccola regione di DNA e proteine chiamata centromero. Quando il materiale genetico di una cellula si divide, il centromero si scinde, e i cromatidi fratelli si separano. In quel momento, ogni cromatidio diventa un cromosoma.