La divisione cellulare è il processo grazie al quale una cellula madre genera cellule figlie: senza di essa non esisterebbero crescita, riparazione dei tessuti né riproduzione degli organismi pluricellulari.
Ogni volta che ti tagli un dito e la pelle si rimargina, miliardi di cellule si stanno dividendo in modo coordinato per ricostruire il tessuto danneggiato. Lo stesso accade quando un girino diventa rana, quando un bambino cresce di statura o quando un albero produce nuove foglie in primavera. La divisione cellulare è quindi uno dei processi più affascinanti e fondamentali della biologia, perché collega la vita microscopica della singola cellula alla vita macroscopica dell'intero organismo. In questa scheda ne studieremo i meccanismi nelle cellule eucariotiche, distinguendo la mitosi dalla meiosi.
Il ciclo cellulare e i suoi controlli
La vita di una cellula non è una sequenza casuale di eventi, ma un percorso ordinato chiamato ciclo cellulare, suddiviso in interfase e fase mitotica (fase M). L'interfase è di gran lunga la parte più lunga e comprende tre sottofasi consecutive: G1, in cui la cellula cresce e svolge le sue funzioni normali; S, in cui il DNA viene duplicato fedelmente; G2, in cui la cellula si prepara alla divisione sintetizzando proteine e organuli aggiuntivi. Pensa a un panificio che lavora ininterrottamente: durante G1 i fornai impastano e vendono il pane quotidiano, in S preparano una doppia scorta di ingredienti perché stanno per aprire un secondo negozio, in G2 controllano forni e attrezzature prima del grande passo. La fase M, infine, è il momento in cui avviene materialmente la separazione in due cellule figlie, e dura tipicamente meno di un'ora rispetto alle molte ore dell'interfase. Esistono punti di controllo, detti checkpoint, che bloccano il ciclo se qualcosa non funziona, ad esempio se il DNA è danneggiato o se i cromosomi non sono allineati correttamente. Quando questi controlli falliscono, una cellula può iniziare a dividersi in modo incontrollato, dando origine a tumori.
La mitosi: una cellula, due cellule identiche
La mitosi è il tipo di divisione che produce due cellule figlie geneticamente identiche alla cellula madre, ciascuna con lo stesso numero di cromosomi del nucleo originale. È il meccanismo alla base della crescita corporea e della riparazione dei tessuti, ed è anche il modo con cui si riproducono asexualmente organismi unicellulari come le amebe o alcune piante per talea. Prima che la mitosi inizi, durante la fase S dell'interfase, ogni cromosoma è stato duplicato: si presenta perciò come due cromatidi fratelli uniti a livello del centromero. Il processo mitotico vero e proprio viene tradizionalmente suddiviso in quattro fasi:
- Profase: la cromatina si condensa in cromosomi visibili al microscopio, la membrana nucleare si dissolve e si forma il fuso mitotico a partire dai centrosomi.
- Metafase: i cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula, agganciati al fuso tramite i cinetocori.
- Anafase: i cromatidi fratelli vengono separati e tirati verso i poli opposti dalle fibre del fuso che si accorciano.
- Telofase: ai due poli si riformano le membrane nucleari attorno ai cromosomi, che cominciano a despiralizzarsi.
Alla telofase segue la citodieresi, ovvero la divisione del citoplasma: nelle cellule animali avviene grazie a un anello contrattile di actina che strozza la cellula a metà, mentre nelle cellule vegetali si forma una nuova parete cellulare al centro grazie a vescicole provenienti dall'apparato di Golgi. Un esempio quotidiano è la cicatrizzazione di un graffio sul braccio: nel giro di pochi giorni le cellule epidermiche ai margini della ferita si moltiplicano per mitosi fino a chiudere completamente la lesione.
La meiosi: dimezzare i cromosomi per riprodursi
La meiosi è una divisione specializzata che avviene esclusivamente nelle cellule germinali e produce quattro cellule figlie aploidi, cioè con metà del corredo cromosomico della cellula madre diploide. Negli esseri umani, ad esempio, le cellule somatiche hanno 46 cromosomi (2n), mentre i gameti prodotti dalla meiosi, spermatozoi e cellule uovo, ne hanno soltanto 23 (n). Questo dimezzamento è indispensabile perché, alla fecondazione, l'unione dei due gameti ricostituisca il numero corretto di cromosomi nello zigote, evitando un raddoppio generazione dopo generazione. La meiosi si compone di due divisioni successive, chiamate meiosi I e meiosi II, precedute da una sola duplicazione del DNA. Durante la meiosi I i cromosomi omologhi, ovvero le coppie ereditate uno dal padre e uno dalla madre, si appaiano formando le tetradi e poi si separano: è qui che si riduce il numero cromosomico. Durante la meiosi II, invece, sono i cromatidi fratelli a separarsi, in modo simile a una mitosi ma a partire da cellule già aploidi. Se pensi a un mazzo di carte da 40 diviso in due mucchi da 20, poi ogni mucchio diviso ancora in due da 10, ottieni un'analogia approssimativa del doppio dimezzamento meiotico.
La variabilità genetica generata dalla meiosi
Uno degli aspetti più importanti della meiosi è che le quattro cellule figlie non sono identiche fra loro né alla cellula di partenza, e questo è alla base della variabilità genetica delle specie a riproduzione sessuata. Due meccanismi principali producono questa diversità: il crossing-over e l'assortimento indipendente dei cromosomi. Il crossing-over avviene durante la profase I, quando i cromatidi non fratelli di una coppia di omologhi si scambiano segmenti corrispondenti di DNA, mescolando gli alleli paterni e materni su uno stesso cromosoma. L'assortimento indipendente, invece, si verifica in metafase I, quando ogni coppia di omologhi si dispone sul piano equatoriale in modo casuale rispetto alle altre coppie, generando moltissime combinazioni possibili. Nella nostra specie, con 23 coppie di cromosomi, le combinazioni teoriche sono 2 elevato alla 23, cioè oltre otto milioni di gameti diversi per ciascun genitore, senza nemmeno contare il crossing-over. È per questo che due fratelli figli degli stessi genitori, eccetto i gemelli omozigoti, non sono mai geneticamente uguali, anche se condividono molti tratti familiari evidenti.
Confronto tra mitosi e meiosi ed errori della divisione
Mitosi e meiosi condividono la stessa fase di duplicazione del DNA e molti meccanismi molecolari, ma differiscono per finalità, numero di divisioni e risultato finale. La mitosi consiste in un'unica divisione che genera due cellule diploidi identiche, mentre la meiosi prevede due divisioni e produce quattro cellule aploidi geneticamente diverse fra loro. Anche le sedi corporee sono diverse: la mitosi avviene in quasi tutti i tessuti del corpo, la meiosi soltanto nelle gonadi, cioè testicoli e ovaie. Quando la separazione dei cromosomi non avviene correttamente si parla di non disgiunzione, un errore che può portare gameti con un cromosoma in più o in meno. Se un gamete anomalo partecipa alla fecondazione, lo zigote presenterà un'aneuploidia: un esempio noto è la trisomia 21, ovvero la sindrome di Down, dovuta alla presenza di tre cromosomi 21 invece di due. Studiare queste anomalie aiuta a capire quanto sia preziosa la precisione con cui le cellule normalmente separano il loro materiale ereditario.
Ricorda
- Il ciclo cellulare comprende interfase (G1, S, G2) e fase M, ed è regolato da checkpoint che bloccano la divisione quando qualcosa non funziona.
- La mitosi produce due cellule figlie diploidi identiche alla cellula madre attraverso profase, metafase, anafase, telofase e citodieresi.
- La meiosi produce quattro cellule figlie aploidi geneticamente diverse, attraverso due divisioni successive e una sola duplicazione del DNA.
- Crossing-over e assortimento indipendente sono le due fonti di variabilità genetica generate dalla meiosi.
- Errori come la non disgiunzione possono causare aneuploidie con gravi conseguenze per l'organismo.
Esercizio attivo di verifica: sul tuo quaderno disegna in due colonne parallele lo schema della mitosi e quello della meiosi, partendo in entrambi i casi da una cellula con 2n=4 cromosomi. Per ciascuna fase indica con precisione il numero di cromosomi, il numero di cromatidi e la posizione degli omologhi, evidenziando con colori diversi i cromosomi di origine paterna e materna. Confronta poi i due schemi e scrivi tre frasi che spieghino perché la meiosi, a differenza della mitosi, produce variabilità genetica.