Mitosi e meiosi

Ciclo cellulare e mitosi

Il ciclo cellulare: divisione cellulare

La capacità degli organismi di riprodurre la propria specie rappresenta una delle caratteristiche che distingue gli esseri viventi dalla materia inanimata. Come tutte le funzioni biologiche, anche questa capacità unica di procreare possiede una base cellulare. Il perpetuarsi della vita si basa sul processo di riproduzione delle cellule o divisione cellulare. La serie di immagini in fluorescenza della microfotografia illustrata nella figura segue gli eventi della divisione cellulare mentre le cellule di un embrione bicellulare diventano quattro. La divisione cellulare gioca un ruolo importante nella vita di un organismo.

Il processo di divisione cellulare costituisce parte integrante del ciclo cellulare, ossia dell’intera vita di una cellula dal momento della sua formazione, durante la divisione di una cellula genitrice, fino alla sua stessa divisione in due cellule figlie. Il trasferimento di un identico contenuto di materiale genetico alle cellule figlie rappresenta una tappa cruciale del processo di divisione cellulare.

La divisione cellulare nei procarioti ed eucarioti

Processo attraverso il quale si formano nuove cellule a partire dalla cellula madre (dal punto di vista del corredo genetico le cellule figlie sono identiche alla cellula madre). La divisione cellulare negli organismi pluricellulari serve all’accrescimento e al rimpiazzo delle cellule morte, mentre negli organismi unicellulari serve per la riproduzione (aumentare il numero di individui). Ci sono cellule che vanno in divisione cellulare continuamente ma nella gran parte dei tessuti le cellule o sono poche o non ci sono cellule che vanno in divisione.

La riproduzione di un insieme così complesso come una cellula non può avvenire attraverso un semplice dimezzamento; infatti, la cellula non si comporta come una bolla di sapone che aumenta progressivamente di dimensioni fino a dividersi in due parti. Sia nei procarioti sia negli eucarioti, la divisione cellulare implica la distribuzione in parti uguali alle cellule figlie del materiale genetico, ovvero il DNA (fa eccezione la meiosi, il particolare tipo di divisione cellulare eucariotica che permette la produzione di spermatozoi e cellule uovo). Il DNA viene trasmesso con fedeltà da una generazione a quella successiva.

Durante la divisione una cellula duplica il proprio DNA, ripartisce le due copie alle estremità opposte della cellula e solo alla fine si divide nelle due cellule figlie. Il corredo cellulare di DNA, ovvero la sua informazione genetica, prende il nome di genoma. Mentre il genoma di una cellula procariotica risulta spesso costituito da una singola, lunga molecola di DNA, il genoma eucariotico è spesso rappresentato da un certo numero di molecole di DNA la cui lunghezza complessiva è enorme.

Inoltre, prima che la cellula si divida per formare due cellule figlie geneticamente identiche, l'intero corredo di DNA deve essere copiato, o duplicato, e, successivamente, deve realizzarsi la separazione delle due copie in maniera tale che ciascuna cellula figlia possieda un genoma completo. La replicazione e la distribuzione di una quantità così rilevante di DNA si rende possibile grazie al fatto che le molecole di DNA sono impaccate in strutture definite cromosomi, strutture compatte che devono il proprio nome alla capacità di legare alcuni coloranti impiegati in microscopia ottica (dal greco chroma, "colore", e soma, "corpo").

Eventi necessari per la divisione cellulare

Perché la divisione avvenga devono verificarsi quattro eventi:

• Vi deve essere un segnale riproduttivo che può provenire dall’interno o dall’esterno della cellula (le cellule devono essere stimolate);
• Il DNA e altre componenti cellulari devono essere duplicati;
• Il DNA duplicato deve essere distribuito in maniera uguale alle cellule figlie (e anche gli altri componenti);
• La membrana cellulare si accresce prima della divisione della cellula (la citodieresi può anche non avvenire).

Negli organismi procarioti c’è la duplicazione del DNA ma non abbiamo la formazione del fuso mitotico e i cromosomi sono ancorati alla membrana cellulare fino alla separazione fisica tra i due cromosomi. Negli organismi eucarioti avviene nel nucleo e generalmente il nucleo scompare.

• Il DNA è organizzato in cromosomi che si trovano entro il nucleo;
• Per la presenza del nucleo, la segregazione del DNA e la divisione cellulare (citodieresi) sono due processi separati;

Negli organismi pluricellulari, le cellule si dividono meno frequentemente e secondo i “fabbisogni” dell’organismo. Oltre alla mitosi può avvenire la meiosi. Nella mitosi le cellule figlie sono di norma identiche alla cellula madre. Nella meiosi la quantità di DNA è dimezzata rispetto a quella della cellula madre.

Ciascun cromosoma eucariotico è costituito da una molecola molto lunga di DNA lineare associata a un gran numero di proteine. La molecola di DNA contiene da diverse centinaia ad alcune migliaia di geni, le unità informazionali che specificano i tratti ereditari di un organismo. Le proteine associate mantengono la struttura del cromosoma e aiutano nel controllo dell’attività dei geni. Nel suo insieme, l'intero complesso di DNA e proteine che rappresenta il materiale strutturale dei cromosomi, viene definito cromatina.

Ogni specie eucariotica presenta un numero ben definito e caratteristico di cromosomi all'interno del proprio nucleo. Le cellule riproduttive o gameti (cellule uovo e cellule spermatiche) possiedono la metà dei cromosomi rispetto a una cellula somatica che, nel caso della specie umana, corrisponde a un corredo di 23 cromosomi. Il numero di cromosomi nelle cellule somatiche varia notevolmente tra le diverse specie: 18 nelle piante di cavolo, 48 negli scimpanzé, 56 nell'elefante, 90 nel porcospino e 148 in una specie di alga.

Quando una cellula non è in fase di divisione cellulare oppure quando si trova nello stadio di duplicazione del proprio DNA che precede tale fase, ciascun cromosoma appare come una fibra allungata e sottile di cromatina. Tuttavia, dopo la duplicazione del DNA i cromosomi, come parte della divisione cellulare, condensano: ogni fibra di cromatina si avvolge e si ripiega, compattandosi in maniera così serrata che il cromosoma si accorcia e acquista uno spessore tale da renderne possibile l'osservazione al microscopio ottico.

Ciascun cromosoma, dopo la duplicazione del DNA, risulta costituito da due cromatidi fratelli, che rappresentano copie congiunte del cromosoma originario. Inizialmente i due cromatidi, contenenti molecole identiche di DNA, appaiono uniti insieme per tutta la loro lunghezza grazie alla presenza di complessi proteici, noti come coesine, che realizzano un’interazione definita coesione dei cromatidi fratelli.

Ogni cromatide fratello possiede un centromero, una regione del DNA cromosomico a livello della quale il cromatide è appaiato più strettamente al proprio cromatide fratello. Tale legame è mediato da proteine che interagiscono con il DNA centromerico; altre proteine legate a esso condensano il DNA, donando al cromosoma duplicato una “vita” stretta. La parte di un cromatide che emerge dall’altro lato del centromero è definita braccio del cromatide.

Nelle fasi successive del processo di divisione cellulare, i due cromatidi fratelli di ciascun cromosoma duplicato si separano e si spostano all’interno dei due nuovi nuclei in formazione a ciascuna estremità della cellula. Non appena i cromatidi fratelli si separano, non vengono più definiti cromatidi fratelli, ma sono considerati cromosomi singoli, questa tappa, fondamentalmente, duplica il numero di cromosomi presenti nella cellula. Così, ciascun nuovo nucleo riceve una collezione di cromosomi identici a quelli della cellula genitrice. La mitosi, la divisione del materiale genetico all’interno del nucleo, di solito viene seguita immediatamente dalla citodieresi, la divisione del citoplasma.

Laddove esisteva una singola cellula ora ve ne sono due, ciascuna delle quali costituisce l’equivalente genetico della cellula genitrice. Al contrario, i gameti – le cellule uovo e gli spermatozoi – vengono prodotti tramite meiosi, che determina la formazione di cellule figlie con un solo corredo di cromosomi rispetto alla cellula progenitrice. La meiosi riduce il numero di cromosomi da 46 (due corredi cromosomici) a 23 (un solo corredo). La fecondazione riporta il numero dei cromosomi a 46 attraverso la fusione dei due gameti, mentre la mitosi permette di conservare tale corredo nel nucleo di tutte le cellule somatiche del nuovo individuo.

Fasi del ciclo cellulare

La mitosi rappresenta soltanto una delle fasi del ciclo cellulare: in effetti la fase mitotica (M), che comprende sia la mitosi sia la citodieresi, costituisce in genere la parte più breve del ciclo cellulare. La fase mitotica si alterna con una fase più lunga, definita interfase, che normalmente rappresenta il 90% dell’intera durata del ciclo cellulare. L’interfase può essere suddivisa in tre sottofasi: la fase G₁ (primo intervallo), la fase S (“sintesi”) e la fase G₂ (secondo intervallo).

Le fasi G sono state definite erroneamente fasi “gap” quando furono osservate per la prima volta poiché le cellule sembravano inattive, ma ora sappiamo che tutta l’interfase è caratterizzata da un’intensa attività metabolica e da una notevole crescita. Durante le suddette fasi dell’interfase, di fatto, la cellula si accresce sintetizzando proteine e costituendo organuli citoplasmatici, quali mitocondri e reticolo endoplasmatico. La duplicazione dei cromosomi, fondamentale per l’eventuale divisione della cellula, avviene interamente durante la fase S. La cellula, quindi, inizia ad accrescersi (fase G₁), prosegue nel processo di crescita mentre duplica i suoi cromosomi (fase S), completa la preparazione alla divisione accrescendosi ulteriormente (fase G₂) e, infine, si divide (fase M). Le cellule figlie originatesi da tali eventi possono andare incontro a un nuovo ciclo cellulare.

In un organismo pluricellulare alcune cellule si dividono molto raramente, oppure non lo fanno per niente. Tali cellule trascorrono il tempo nella fase G₁ (o in una fase correlata definita G₀) compiendo la propria funzione all’interno dell’organismo – una cellula nervosa, per esempio, trasporta gli impulsi.

Mitosi: le fasi

La mitosi viene convenzionalmente suddivisa in 5 sottofasi:

• Profase
• Prometafase
• Metafase
• Anafase
• Telofase

La citodieresi si sovrappone alle ultime fasi della mitosi completamento l’intera fase mitotica.

Struttura della cromatina: i nucleosomi

La cromatina serve per le interazioni tra DNA e proteine (istoni: proteine basiche che interagiscono con il DNA → il DNA (lungo 146 basi) gli si avvolge intorno). Hanno una struttura a perla: il nucleosoma. Il nucleosoma è formato da quattro tipi diversi di istoni ripetuti due volte. Non è una struttura fissa, forma la struttura primaria della cromatina e c’è un tratto di DNA che deve essere trascritto, infatti il nucleosoma si sposta così che gli enzimi (polimerasi) possono sintetizzare l’RNA.

Troviamo inoltre il DNA linker, che può avere lunghezze variabili, privo di istoni tranne uno, detto H1, che favorisce la condensazione/decondensazione della cromatina. La coesina è una proteina che tiene insieme i 2 cromatidi, durante la metafase viene rimossa.

Eccezioni: alcuni protisti hanno mitosi anomale:

• Dinoflagellati.
• Diatomee (il fuso si forma solo all’interno del nucleo.
• Maggioranza degli eucarioti.

Struttura secondaria e terziaria della cromatina

La struttura terziaria si deve all’intervento delle proteine architettoniche. Nella fibra a 300 nm si hanno delle anse attaccate ad un asse proteico centrale (scaffold).

La cromatina e la sua condensazione

Connessioni fra i cromosomi omologhi nelle diverse fasi della mitosi

Molti degli eventi che si verificano durante la mitosi dipendono dalla presenza del fuso mitotico, una struttura che inizia a formarsi nel citoplasma durante la profase. Il fuso mitotico risulta costituito da fibre di microtubuli associati a proteine. Durante la formazione del fuso mitotico i microtubuli del citoscheletro vengono parzialmente destrutturati, probabilmente allo scopo di fornire il materiale necessario per la costituzione del fuso. I microtubuli del fuso mitotico si allungano (polimerizzazione) incorporando un numero sempre maggiore di subunità di una proteina nota come tubulina e si accorciano (depolimerizzazione) attraverso la perdita di tali unità.

Nelle cellule animali l’assemblaggio dei microtubuli del fuso ha inizio a livello di centrosoma, un organulo privo di involucro membranoso che contiene il materiale necessario per l’organizzazione dei microtubuli della cellula durante l’intero ciclo cellulare; per tale motivo il centrosoma viene anche definito centro di organizzazione dei microtubuli.

Durante l’interfase delle cellule animali il singolo centrosoma viene duplicato al fine di formare due centrosomi che rimangono adesi l’uno all’altro in vicinanza del nucleo. Nel corso della profase e della prometafase i due centrosomi si separano e migrano verso le due estremità opposte della cellula, dando inizio contemporaneamente alla produzione dei microtubuli del fuso; prima della fine della prometafase i due centrosomi vengono a trovarsi alle estremità opposte della cellula.