La divisione cellulare nei procarioti e negli eucarioti

La divisione cellulare è il processo che permette a una cellula di dividersi in due cellule figlie identiche. Perché questo avvenga, sono necessari quattro eventi fondamentali: l'attivazione di un segnale riproduttivo, la replicazione del DNA, la segregazione (distribuzione equa del DNA replicato) e infine la citodieresi (separazione delle cellule figlie).

Nei procarioti la divisione avviene attraverso un processo chiamato scissione binaria. Questo meccanismo è relativamente semplice e veloce, completandosi in circa 20-30 minuti. Inizia con la duplicazione del DNA circolare, seguito dall'allungamento della cellula che spinge le due molecole di DNA replicate verso le estremità opposte. Infine, la membrana plasmatica si "strozza" nel mezzo, separando la cellula in due.

💡 È interessante notare come il DNA dei procarioti, nonostante sia molto lungo, riesca a replicarsi efficacemente in uno spazio così ristretto. Per questo motivo, durante la replicazione, la molecola deve necessariamente srotolarsi.

A differenza dei procarioti, gli eucarioti hanno un sistema più complesso di divisione che vedremo nelle prossime pagine.

La mitosi nelle cellule eucariotiche

Nelle cellule eucariotiche, la divisione cellulare serve per aumentare il numero di cellule durante la crescita o per sostituire cellule vecchie e danneggiate. Questo processo non è costante ma varia in base al tipo di tessuto e alla funzione della cellula.

Il ciclo cellulare rappresenta l'insieme degli eventi tra la formazione di una cellula e la sua divisione, ed è composto da due fasi principali: l'interfase e la fase mitotica. L'interfase si suddivide in tre sottofasi: G1 (crescita cellulare e sintesi di proteine), S (duplicazione del DNA) e G2 (spiralizzazione dei cromosomi e preparazione alla divisione). Alcune cellule possono entrare in una fase di riposo chiamata G0, dove non crescono né si riproducono.

La fase mitotica (fase M) comprende la mitosi (divisione del nucleo con migrazione del DNA verso i poli opposti) e la citodieresi (divisione del citoplasma). Durante la mitosi, la membrana nucleare scompare e si formano due nuovi nuclei identici.

⚠️ La divisione cellulare è un processo altamente regolato: la mitosi si attiva solo se ci sono le condizioni per completarla con successo, come la "dipendenza dall'ancoraggio" (contatto con superficie solida) e "l'inibizione da contatto" (le cellule smettono di dividersi quando si toccano tra loro).

La struttura del DNA durante la divisione

Il DNA umano, se srotolato, raggiungerebbe ben 2 metri di lunghezza, ma riesce a stare in un nucleo di soli 5 micrometri di diametro! Questo è possibile grazie alla spiralizzazione, un complesso meccanismo in cui la molecola di DNA si ripiega ordinatamente su se stessa con l'aiuto delle proteine istoni.

Durante il ciclo cellulare, il grado di spiralizzazione del DNA cambia significativamente. Nella sottofase G1, il DNA forma un groviglio di filamenti poco spiralizzati chiamato cromatina. Nella sottofase S avviene la replicazione, e quando la cellula entra nella fase M, ogni molecola di DNA duplicata si spiralizza strettamente formando strutture visibili al microscopio: i cromosomi.

All'inizio della mitosi, ogni cromosoma è composto da due molecole di DNA identiche chiamate cromatidi fratelli, unite in una regione centrale detta centromero. Questa organizzazione permette la corretta separazione del materiale genetico durante la divisione cellulare.

🔍 La capacità del DNA di compattarsi è straordinaria: da 2 metri a 5 micrometri rappresenta una riduzione di dimensioni di circa 400.000 volte! È come se riuscissimo a comprimere un treno di 10 km in una scatola di fiammiferi.

Le fasi della mitosi e i tipi di riproduzione

La fase M (mitosi) si suddivide in cinque fasi ben distinte: profase (condensazione dei cromosomi), prometafase (scomparsa della membrana nucleare), metafase (allineamento dei cromosomi all'equatore della cellula), anafase (separazione dei cromatidi fratelli) e telofase (formazione delle nuove membrane nucleari).

La citodieresi, che inizia verso la fine della telofase, divide il citoplasma e gli organuli tra le due nuove cellule. Il processo avviene in modo diverso nelle cellule animali e vegetali: le prime formano un anello contrattile che "strozza" la cellula a metà, mentre le seconde costruiscono un setto di cellulosa che divide il citoplasma.

Gli organismi eucarioti possono riprodursi in due modi principali: per via asessuata o sessuata. La riproduzione asessuata avviene tramite mitosi e produce individui geneticamente identici al genitore (cloni). È un sistema efficace per ottenere rapidamente molte cellule, ma non produce variabilità genetica.

💡 La differenza fondamentale tra riproduzione asessuata e sessuata è nella variabilità genetica: mentre i "figli" asessuati sono cloni, quelli sessuati sono geneticamente unici, combinando DNA di due genitori diversi. Questa variabilità è fondamentale per l'evoluzione delle specie!

La meiosi e la riproduzione sessuata

La riproduzione sessuata è caratteristica degli eucarioti pluricellulari e richiede due individui di sesso diverso: maschio e femmina. Questo tipo di riproduzione genera organismi geneticamente diversi dai genitori grazie alla combinazione di DNA di origine materna e paterna.

La riproduzione sessuata comprende due eventi fondamentali: la meiosi e la fecondazione. Mentre le cellule somatiche (che compongono il corpo) sono diploidi (2n), contenendo 46 cromosomi nell'uomo (23 di origine materna e 23 paterna), i gameti (cellule riproduttive) sono aploidi (n), con un solo cromosoma per ogni coppia di omologhi.

La meiosi avviene esclusivamente nelle cellule germinali e consiste in due divisioni successive (meiosi I e meiosi II) che riducono il numero di cromosomi, generando quattro nuclei aploidi. Durante la meiosi I avviene un evento cruciale: il crossing over, in cui il materiale genetico materno e paterno viene scambiato. Il punto di incrocio tra i cromatidi si chiama chiasma.

🧬 Il crossing over è una vera "lotteria genetica": crea infinite combinazioni di DNA, garantendo che ogni individuo sia geneticamente unico. È grazie a questo meccanismo che fratelli e sorelle possono essere così diversi pur avendo gli stessi genitori!

La gametogenesi e il cariotipo umano

La produzione di gameti, o gametogenesi, avviene in modo diverso nei maschi (spermatogenesi) e nelle femmine (oogenesi). Negli uomini, la spermatogenesi si svolge nei testicoli e produce moltissimi spermatozoi. Nelle donne, l'oogenesi ha luogo nelle ovaie e produce un numero limitato di cellule uovo - nella specie umana, solo un uovo al mese raggiunge la maturazione.

Il cariotipo è la rappresentazione dei cromosomi di un individuo che mostra numero, forma e dimensioni. Si ottiene fotografando i cromosomi di cellule in metafase mitotica e accoppiando gli omologhi. Nel cariotipo umano troviamo 22 coppie di autosomi (cromosomi non sessuali) e una coppia di cromosomi sessuali: XX nelle femmine e XY nei maschi (con Y più piccolo di X).

Durante la meiosi possono verificarsi errori che causano anomalie nel numero o nella struttura dei cromosomi. Questi errori influenzano tutte le cellule del nuovo individuo e possono portare a condizioni genetiche specifiche.

⚠️ Il cariotipo è uno strumento diagnostico potentissimo: permette di identificare anomalie cromosomiche anche prima della nascita attraverso tecniche come l'amniocentesi o la villocentesi, consentendo diagnosi prenatali di condizioni genetiche.

Gli errori nella meiosi e le sindromi cromosomiche

Durante la meiosi possono verificarsi errori che provocano anomalie cromosomiche. La traslocazione è un'anomalia che comporta la perdita o l'aggiunta di segmenti di cromosomi, creando gameti anomali. La non-disgiunzione invece è un errore nella separazione dei cromosomi o cromatidi che genera gameti con DNA in eccesso o in difetto.

Questi errori possono causare diverse sindromi. La Sindrome di Down è caratterizzata dalla presenza di tre cromosomi 21 invece di due. La Sindrome di Turner colpisce solo le femmine ed è dovuta all'assenza o al danneggiamento di uno dei cromosomi X. La Sindrome di Klinefelter si verifica nei maschi con un cromosoma X in più, causando sterilità. Infine, la Sindrome XYY è causata da un cromosoma Y supplementare e si manifesta con altezza e robustezza fisica superiori alla media.

🧫 La probabilità di errori nella meiosi aumenta con l'età materna. Questo spiega perché il rischio di avere un bambino con Sindrome di Down cresce significativamente nelle gravidanze dopo i 35 anni. È uno dei motivi per cui si consiglia lo screening prenatale alle donne in questa fascia d'età.