La divisione cellulare è il processo grazie al quale una cellula madre origina cellule figlie: garantisce la crescita degli organismi, la riparazione dei tessuti e, attraverso la meiosi, la riproduzione sessuata e la variabilità genetica.
Perché le cellule si dividono
Ogni organismo vivente, dal minuscolo paramecio alla balenottera azzurra, deve la propria esistenza alla capacità delle cellule di duplicarsi. Una cellula non può crescere all'infinito perché, all'aumentare del volume, la superficie della membrana diventa insufficiente per gli scambi con l'esterno: oltre una certa soglia conviene dividersi piuttosto che ingrandirsi. Negli organismi unicellulari, come i batteri o i lieviti, la divisione coincide con la riproduzione e permette di colonizzare rapidamente l'ambiente disponibile. Negli organismi pluricellulari, invece, la divisione cellulare serve a costruire il corpo durante lo sviluppo embrionale e a sostituire le cellule perse o danneggiate. Pensa alla pelle che si rinnova dopo una scottatura solare oppure al midollo osseo che ogni secondo produce milioni di nuovi globuli rossi per sostituire quelli invecchiati. Senza una divisione cellulare regolata, la vita come la conosciamo sarebbe semplicemente impossibile.
Il ciclo cellulare e le sue fasi
La vita di una cellula non è un evento puntuale ma un percorso ordinato chiamato ciclo cellulare, suddiviso in interfase e fase mitotica. L'interfase, che occupa circa il 90% del tempo, comprende tre sottofasi: G1 di crescita iniziale, S di sintesi del DNA e G2 di preparazione finale. Durante la fase S la cellula duplica fedelmente ogni cromosoma, così che ogni filamento sia accompagnato dal suo cromatidio fratello identico. La fase mitotica vera e propria comprende la mitosi, cioè la divisione del nucleo, e la citodieresi, ossia la separazione del citoplasma. Un esempio concreto è la cellula epiteliale dell'intestino, che completa un intero ciclo in circa 24 ore per rinnovare la mucosa. Al contrario, un neurone adulto resta in una fase di quiescenza chiamata G0 e di norma non si divide più, motivo per cui le lesioni cerebrali guariscono con tanta difficoltà.
La mitosi passo per passo
La mitosi è il meccanismo che ripartisce equamente il materiale genetico già duplicato tra due nuclei figli geneticamente identici alla cellula madre. Per studiarla la dividiamo in quattro fasi continue, ciascuna riconoscibile al microscopio grazie alla forma dei cromosomi e all'organizzazione del fuso.
- Profase: la cromatina si condensa in cromosomi visibili, l'involucro nucleare si disgrega e si forma il fuso mitotico fatto di microtubuli.
- Metafase: i cromosomi si allineano lungo il piano equatoriale della cellula, agganciati al fuso tramite i cinetocori.
- Anafase: i cromatidi fratelli si separano e migrano verso i poli opposti, trainati dall'accorciamento dei microtubuli.
- Telofase: attorno ai due gruppi di cromosomi si riforma l'involucro nucleare e la cromatina torna a despiralizzarsi.
Un esempio quotidiano è la cicatrizzazione di un taglietto al dito: le cellule ai bordi della ferita entrano in mitosi e generano nuove cellule che richiudono il tessuto. Un altro esempio è la crescita delle radici di una pianta in vaso, dove le cellule apicali si dividono per mitosi allungando continuamente la punta verso il terreno.
La citodieresi nelle cellule animali e vegetali
La mitosi divide il nucleo, ma per ottenere due cellule separate serve un secondo evento chiamato citodieresi, che si svolge in modo profondamente diverso a seconda del regno considerato. Nelle cellule animali un anello contrattile di actina e miosina si stringe a livello equatoriale, strozzando progressivamente la membrana finché non si formano due cellule indipendenti, un po' come quando si chiude un sacchetto di plastica tirando lo spago. Nelle cellule vegetali, invece, la presenza della parete cellulosica impedisce la strozzatura: si forma allora una piastra cellulare al centro, costruita da vescicole dell'apparato di Golgi che si fondono fino a originare una nuova parete divisoria. Pensa al pomodoro che matura sulla pianta: ogni nuova cellula del frutto deriva da una divisione vegetale tipica, completata dalla deposizione di una parete. Negli animali, invece, basta osservare un embrione di rana al microscopio per vedere comparire i solchi di clivaggio che separano le prime cellule. Queste differenze ricordano che la divisione, pur seguendo un piano comune, si adatta sempre alla struttura della cellula in cui avviene.
La meiosi: dimezzare per riprodursi
La meiosi è la divisione speciale che produce i gameti, cioè spermatozoi e cellule uovo, dimezzando il numero di cromosomi da diploide (2n) ad aploide (n). Questo dimezzamento è indispensabile perché, alla fecondazione, l'unione di due gameti ripristini il corredo cromosomico tipico della specie senza raddoppiarlo a ogni generazione. La meiosi consiste in due divisioni successive precedute da una sola duplicazione del DNA: la prima separa i cromosomi omologhi, la seconda i cromatidi fratelli, come avviene nella mitosi. Durante la profase I avviene un evento decisivo: i cromosomi omologhi si appaiano formando le tetradi e scambiano segmenti di DNA tramite il crossing-over. Un esempio concreto sono le ovaie di una ragazza, che ospitano ovociti bloccati in profase I fin dalla nascita e completano la meiosi solo al momento dell'ovulazione. Un altro esempio è il polline di un fiore di girasole, prodotto per meiosi nelle antere e contenente cellule aploidi pronte a fecondare l'ovulo.
Mitosi e meiosi a confronto
Confrontare mitosi e meiosi aiuta a fissare le differenze fondamentali tra le due forme di divisione. Entrambe partono da una cellula con DNA duplicato, ma il risultato è radicalmente diverso per numero di cellule, corredo cromosomico e variabilità genetica.
- La mitosi produce due cellule figlie diploidi identiche alla madre, mentre la meiosi ne produce quattro aploidi tutte geneticamente diverse.
- La mitosi è coinvolta in crescita e riparazione, la meiosi nella formazione dei gameti per la riproduzione sessuata.
- Nella mitosi non avviene crossing-over né appaiamento degli omologhi, eventi tipici invece della profase I meiotica.
- La mitosi si compone di una sola divisione, la meiosi di due divisioni successive senza ulteriore duplicazione del DNA.
Un esempio chiarificatore: le cellule del fegato che rigenerano un lobo dopo un trauma usano la mitosi, mentre i testicoli di un giovane adulto producono spermatozoi solo attraverso la meiosi. Anche nelle piante questa distinzione è netta: le cellule del fusto crescono per mitosi, mentre i granelli di polline si formano per meiosi nelle parti maschili del fiore.
Variabilità genetica e importanza biologica della meiosi
La meiosi non si limita a dimezzare i cromosomi: è anche la principale fonte di variabilità genetica negli organismi a riproduzione sessuata. Tre meccanismi cooperano per rendere ogni gamete unico: il crossing-over scambia tratti di DNA tra omologhi, l'assortimento indipendente distribuisce casualmente i cromosomi paterni e materni nei gameti e la fecondazione combina poi due gameti tra miliardi possibili. Per un essere umano con 23 coppie di cromosomi, il solo assortimento indipendente genera oltre otto milioni di combinazioni diverse, senza contare gli effetti del crossing-over. Questa diversità è fondamentale dal punto di vista evolutivo perché fornisce alla selezione naturale un'ampia gamma di varianti su cui agire. Pensa a una popolazione di insetti esposta a un nuovo pesticida: la variabilità prodotta dalla meiosi aumenta la probabilità che qualche individuo possieda mutazioni utili per sopravvivere. Allo stesso modo, la diversità dei semi prodotti da una pianta madre permette ai discendenti di colonizzare ambienti leggermente differenti, riducendo il rischio di estinzione locale.
Regolazione del ciclo e cellule tumorali
Il ciclo cellulare è sorvegliato da un sistema di controllo che decide a ogni passaggio se procedere, attendere o avviare la morte programmata della cellula. Esistono almeno tre punti di controllo principali: alla fine di G1, alla fine di G2 e durante la metafase mitotica, ciascuno regolato da proteine chiamate cicline e da chinasi ciclina-dipendenti. Se il DNA risulta danneggiato, la proteina p53 blocca il ciclo e attiva i sistemi di riparazione oppure induce l'apoptosi, evitando che la lesione si trasmetta alle cellule figlie. Quando questi controlli si guastano, ad esempio per mutazioni nei geni oncosoppressori o nei proto-oncogeni, la cellula può dividersi in modo incontrollato dando origine a un tumore. Un esempio quotidiano è la raccomandazione di proteggersi dai raggi ultravioletti del sole, che danneggiano il DNA e aumentano il rischio di melanoma. Un altro esempio è il fumo di sigaretta, che introduce sostanze mutagene nei polmoni e altera i geni regolatori del ciclo, favorendo la comparsa di tumori polmonari.
Ricorda
Punti chiave da fissare bene in mente:
- Il ciclo cellulare comprende interfase (G1, S, G2) e fase mitotica (mitosi + citodieresi).
- La mitosi origina due cellule figlie diploidi identiche alla madre attraverso profase, metafase, anafase e telofase.
- La citodieresi avviene per strozzamento nelle cellule animali e per formazione della piastra cellulare in quelle vegetali.
- La meiosi consiste in due divisioni e produce quattro gameti aploidi geneticamente diversi.
- Crossing-over, assortimento indipendente e fecondazione generano la variabilità genetica della riproduzione sessuata.
- Punti di controllo, cicline, p53 e geni oncosoppressori regolano il ciclo; il loro malfunzionamento può portare a tumori.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: disegna due schemi paralleli, uno della mitosi e uno della meiosi, partendo in entrambi i casi da una cellula 2n=4. Per ogni schema indica con chiarezza il numero di cellule figlie, il loro corredo cromosomico (n o 2n) e segnala con una freccia rossa la fase in cui avviene il crossing-over. Sotto i disegni scrivi tre frasi che spieghino perché, pur partendo dalla stessa cellula madre, i due processi producono risultati così differenti dal punto di vista biologico.