Funzioni vitali della cellula: La riproduzione. Le due funzioni vitali della cellula: metabolismo e riproduzione

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1 Funzioni vitali della cellula: La riproduzione Le due funzioni vitali della cellula: metabolismo e riproduzione L unità funzionale minima di un essere vivente è una cellula viva. Tuttavia, ogni essere vivente, appare costituito in ultima analisi da niente altro che grandi e complessi insiemi di reazioni chimiche regolate, che consentono il realizzarsi di due fenomeni chimico-fisici di rilievo. Il primo fenomeno consiste nella capacità di ottenere e trasferire energia, rendendola disponibile a processi non spontanei, che altrimenti non avverrebbero. Tali processi possono così produrre nuove molecole complesse e ricche di energia interna e possono garantire il mantenimento di un ambiente chimico-fisico stabile, separato da quello circostante, che possa perdurare nel tempo, e continuare nella realizzazione dei suoi intenti. Il complesso insieme di reazioni coinvolte all interno di questo fenomeno va sotto il nome di metabolismo cellulare. Il secondo fenomeno è quello della riproduzione. Esso è in realtà un effetto di quest ultima tendenza, appena descritta, a conservare nel tempo tutti i processi utili. La riproduzione consiste nella replicazione esatta del proprio sistema chimico e organico complessivo, in un nuovo individuo uguale al precedente, prima che esso degeneri; ovvero, prima che processi inesorabili e solo in parte arginabili, come l ossidazione effettuata dall ossigeno gassoso a carico delle strutture organiche, abbiano il sopravvento. Approfondimenti e Richiami La freccia del tempo. L evoluzione chimica dell Universo, dal punto di vista termodinamico, avviene complessivamente in un solo senso, plausibilmente originato dagli eventi del Big Bang. La tendenza generale della materia e dell energia dell universo, è di modificarsi spontaneamente, e attraverso passaggi casuali, verso una diminuzione di entalpia e un aumento di entropia. Detto in termini non specialistici, potremmo dire che l Universo si va raffreddando e degradando; ed è plausibile che ciò appaia a chiunque ovvio e naturale, perché chiunque prima o poi nella vita impara cosa siano un fenomeno irrimediabilmente irreversibile o l invecchiamento e la morte. Semplificando, possiamo dire che l entalpia è data dall energia cinetica delle particelle e dall energia potenziale racchiusa nelle interazioni di legame tra un atomo e l altro o tra una molecola e l altra, mentre l entropia è il grado di disordine con cui queste particelle sono organizzate all interno di un sistema. Ad esempio, in un cristallo di ghiaccio c è molto più ordine che in una nube di vapor acqueo, ma in quest ultima, l energia cinetica media delle particelle è molto più elevata. Se nell Universo l entalpia e l ordine vanno complessivamente diminuendo, significa che le trasformazioni chimiche spontanee evolvono verso un maggiore disordine d insieme del sistema e verso una diminuzione dell energia custodita all interno delle sostanze. L energia totale dell Universo resta costante, perché nulla può andare perduto, ma col passare del tempo l energia contenuta nelle molecole si degrada, passando a livelli di energia interna inferiori e a un maggiore grado di disordine. Questo inesorabile scadimento dell energia posseduta dalle molecole, rappresenta per l Universo un vero e proprio orologio, chiamato anche freccia del tempo. La vita. Uno degli elementi di maggior distinzione dei sistemi viventi rispetto ai sistemi inanimati è senza dubbio la loro capacità di riprodursi. Le risposte ultime al perché i processi biologici abbiano questa 2

2 irrinunciabile esigenza a protrarre nel tempo le loro attività chimiche sono tutt altro che chiare. Tuttavia, essendo la vita un fenomeno termodinamico caratterizzato dall assorbimento di energia, anziché dalla sua liberazione, la riproduzione, in un certo senso, può essere vista come nient altro che un mezzo, in grado di evitare che l energia accumulata se ne vada perduta, trascinata dall inesorabile degradarsi e raffreddarsi di tutto l Universo. La vita, peraltro, non accumula solo energia, ma anche organizzazione e ordine e anche l organizzazione e l ordine, se non vengono periodicamente verificati e rinnovati, finiscono per deteriorarsi e collassare, esattamente come l organizzazione di un azienda o l ordine di una stanza. La vita ha una tendenza specifica a mantenere nel tempo i suoi processi, modificandoli, rinnovandoli, adattandoli costantemente all ambiente e creando sistemi adibiti alla riparazione di danni ed errori. Si pensi, ad esempio, ai sistemi di riparazione delle membrane lipidiche o del DNA e a tutti i sistemi antiossidanti di cui le cellule sono dotate, ma, soprattutto, si pensi appunto al complesso fenomeno della riproduzione. La riproduzione di qualunque individuo, porta inoltre in sé un effetto secondario non da poco e cioè quello della moltiplicazione. Un organismo che, molto prima di degenerare, ne genera almeno uno uguale, ha prodotto in realtà due individui. Nel caso delle cellule dei tessuti animali, di molti eucarioti unicellulari e di tutti i procarioti, la riproduzione avviene proprio per moltiplicazione e l individuo originale non muore, ma, dividendosi, ne genera due uguali e rinnovati. Un effetto, come si è detto, non da poco, perché la crescita numerica dovuta alla moltiplicazione degli esseri unicellulari, molto probabilmente, ha aperto la strada a nuove strategie utili ai fini prima descritti, come la cooperazione cellulare e l organizzazione biologica di tipo coloniale, fino alla costituzione dei tessuti complessi negli organismi superiori. In termini termodinamici, la replicazione e la moltiplicazione comportano un aumento complessivo di entalpia, soprattutto di energia potenziale di legame, e una diminuzione di entropia, realizzando un organizzazione del sistema specifica e ordinata. Al contrario, il bilancio complessivo di quanto accade spontaneamente nell Universo corrisponde ad una diminuzione generale di entalpia e ad un aumento di disordine (aumento di entropia). Pertanto, affinché i processi biologici abbiano luogo, è indispensabile che nei dintorni di un sistema vivente, avvengano variazioni di entalpia e di disordine più ampie rispetto a quelle previste dal bilancio dell Universo. In questo modo, il difetto dovuto all aumento di entalpia e alla diminuzione di entropia realizzate nel sistema vivente, viene colmato in modo che il bilancio globale possa restare costante. La riproduzione cellulare L invecchiamento e il ciclo cellulare Ossidazione, invecchiamento ed errore. Gli effetti degradativi più rapidi e violenti a carico degli esseri viventi sono quelli prodotti dall attività ossidante dell ossigeno, che è presente in grande quantità nell atmosfera terrestre. Data la sua elettronegatività (3,5 nella scala di Pauling), il suo potere ossidante è particolarmente vigoroso sulle molecole biologiche, che, generalmente, sono molecole ridotte e quindi ricche di elettroni. Quasi tutti gli esseri viventi sfruttano il potere ossidante dell ossigeno per ricavarne energia: si è tuttavia abbastanza certi che non sia sempre stato così e, anzi, è abbastanza probabile che inizialmente la comparsa dell ossigeno nell aria in quantità significative, abbia creato non pochi problemi. Resta il fatto che tutti gli organismi, chi più chi meno, hanno una forte tendenza ad invecchiare, a causa, soprattutto, dell azione ossidante dell ossigeno che, per quanto venga arginata il più possibile, risulta prima o poi fatale. Se anche non vi fosse questo grosso problema dell ossigeno, che, del resto, come si diceva è un problema insorto successivamente, l organizzazione realizzata dai sistemi biologici sarebbe comunque soggetta all accumulo di errori e di danni di altro genere, dovuti al livello di complessità del sistema. 3

3 Approfondimenti e Richiami Per la verità, secondo i fisici, la maggior parte di questi errori sono l effetto del bombardamento quotidiano di particelle provenienti dal cosmo, chiamate muoni o raggi cosmici a cui la superficie terrestre è sottoposta. Ciò depone a favore di una qualità organizzativa del sistema vivente decisamente migliore di quanto possa apparire ai biologi. Resta il fatto che una quota di questi errori è inevitabile e alcuni di essi possono risultare anche fatali. Quando questi errori riguardano direttamente il materiale genetico dell organismo, possono generare in esso cambiamenti irreversibili chiamati mutazioni. Esistono meccanismi biologici di riparazione in grado di prevenire mutazioni genetiche, ma, quando questi falliscono o si dimostrano inefficaci, la mutazione permane e si perpetua lungo le generazioni successive (eccetto il caso in cui la mutazione non consenta all individuo di riprodursi). È fondamentale ricordare che le mutazioni, talvolta, si manifestano come caratteristiche organiche di un individuo (caratteri fenotipici) e che, perciò, sono alla base della variabilità tra gli esseri viventi. Le mutazioni, quindi, hanno contribuito profondamente a dare origine alla enorme diversità esistente tra gli organismi favorendo il realizzarsi della selezione naturale di alcuni individui rispetto ad altri. A causa dell inevitabile degradazione ossidativa delle macromolecole biologiche e dell accumularsi di questi errori, le strutture di tutti gli organismi viventi vengono costantemente rinnovate e ciascun organismo, sia che si tratti di una singola cellula o di un organismo superiore, è in grado di produrre una copia rinnovata di sé, un giovane figlio. Il ciclo vitale di ogni organismo, quindi, prevede una fase di replicazione di se stesso, al termine della quale l organismo originale può anche morire. Normalmente la prima fase di vita del nuovo individuo replicato è una fase di crescita e sviluppo, alla quale segue quindi la riproduzione e ad un certo punto la morte. Il ciclo cellulare. Ogni singola cellula eucariote suddivide la sua vita in 2 fasi abbastanza distinte che prendono il nome di interfase e di divisione o mitosi (M). La divisione è la fase della riproduzione in cui la cellula, dividendosi in due, darà origine a due cellule uguali a quella originale, ma, in un certo senso, ringiovanite nelle loro strutture. L interfase, invece, è il periodo che intercorre tra una divisione e la successiva ed è a sua volta divisa in tre sottofasi successive chiamate G 1, S e G 2 (figura 1). G 1 e G 2 sono due fasi di crescita della cellula: mentre in G 1 vengono svolte le normali attività metaboliche specifiche, in G 2 la cellula si prepara alla divisione. La fase S, situata temporalmente tra la fase G 1 e la fase G 2, è un lungo periodo di sintesi molto attiva di DNA. Prima che la cellula si divida, infatti, tutto il DNA contenuto nel nucleo deve essere riprodotto in una copia esattamente uguale. Le due copie uguali verranno destinate alle due nuove cellule che avranno origine dalla divisione. I tempi di ciascuna fase del ciclo vitale di una cellula sono molto diversi in base al ruolo che questa cellula svolge. Nelle cellule germinative dello strato basale dell epidermide, ad esempio, le cellule sono in attiva divisione, con mitosi continue e con una fase metabolica G 1 non estesa (pochissimi giorni). Gli epatociti del fegato, invece, hanno un numero di divisioni inferiori e una vita metabolica prolungata fino a più di 10 giorni, tale da consentire loro di svolgere le funzioni epatiche per cui sono preposti. 4

4 G 2 M Cromosomi spiralizzati (eucromatina) S G 1 Figura 1 - Il ciclo cellulare. La vita di una cellula eucariote è suddivisa in 2 fasi chiamate interfase (in azzurro) e mitosi o divisione (in giallo). L interfase è costituita da tre sottofasi successive chiamate G 1, S e G 2. Nella fase G 1 la cellula cresce e svolge le sue normali attività metaboliche. La fase S consiste in un periodo nel quale avviene una sintesi attiva di DNA, la replicazione del corredo cromosomico in vista della divisione. Nella fase G 2 la cellula si prepara in tutto e per tutto alla divisione. Lungo il periodo di divisione, la fase M, si susseguono cinque sottofasi distinte: profase, metafase, anafase, telofase e citodieresi, ovvero la divisione vera e propria, durante le quali il DNA è fortemente compattato a formare i cromosomi che appaiono distinguibili. (Tobin, Dusheck Bios2 Genetica ed Evoluzione; Mondadori) Le cellule entrano in fase S solo quando destinate ad andare incontro alla divisione. I neuroni, ad esempio, non si dividono mai e restano in una fase cosiddetta G 0 per tutta la loro vita. La divisione cellulare è un processo riproduttivo basato sulla moltiplicazione, dove l individuo originale non muore ma si moltiplica; pertanto la sua attivazione è regolata da molti fattori, interni ed esterni, in grado di indicare quale estensione debba raggiungere la popolazione di quel tipo di cellule. I tumori sono malattie in cui la quota di divisione cellulare non è più regolata e il tessuto specifico comincia ad accrescersi senza limiti per moltiplicazione cellulare. Normalmente uno dei fattori in grado di rallentare sensibilmente i processi di divisione e il numero medio di cellule di un tessuto che entrano in fase S e G 2 è il contatto tra le cellule stesse. L organizzazione del DNA Il codice delle informazioni. Il DNA, l acido desossiribonucleico, dal punto di vista funzionale è un vero e proprio archivio in codice, contenente l informazione completa, necessaria alla costruzione e regolazione di una cellula o anche di un intero organismo pluricellulare, come potrebbe essere un rettile, un mammifero o una pianta. Ogni cellula di uno stesso organismo contiene tutta l informazione che riguarda l intero organismo, 5

5 compresa, in linea teorica, anche la sua completa ricostruzione da zero; l unica differenza sta nelle porzioni di DNA che, a seconda del ruolo svolto dalla singola cellula, vengono mantenute attive oppure in stato di archivio inattivo. L insieme di tutta questa informazione viene chiamata patrimonio genetico. L archivio del DNA viene costantemente consultato durante tutta la vita della cellula tramite il processo della trascrizione e viene copiato e completamente riprodotto prima della divisione cellulare tramite il processo della replicazione. È bene ricordare che il DNA non è altro che una serie di lunghi filamenti a doppia elica complementare, ciascuna chimicamente costituita dalla polimerizzazione di 4 molecole chiamate nucleotidi (adenina, guanina, citosina e timina) poste una dopo l altra in alternanza non regolare e con ripetizioni, di cui qui non parleremo. La sequenza specifica, con cui si susseguono i 4 tipi di nucleotidi, genera dei tratti distinti di DNA chiamati geni, costituiti ognuno dalla successione di centinaia o migliaia di questi nucleotidi. Come mostrato in figura 2 ad ogni gene corrisponde funzionalmente la sequenza, e quindi la struttura e la funzione, di una proteina specifica o, in seguito a rimaneggiamenti dell espressione genica, di alcune varianti della stessa proteina. Il DNA risulta essere pertanto l archivio della sequenza di tutte le proteine di un organismo, più alcuni tratti con funzione regolativa del DNA stesso. Figura 2 Principio di gene proteina specifica. Il DNA di ogni cromosoma è una sequenza di geni, costituiti da sequenze di nucleotidi. Ad ogni gene corrisponde la sequenza di una sola proteina o di alcune sue varianti specifiche. La proteina può svolgere la sua funzione specifica per cui è preposta solo se ha raggiunto la sua conformazione tridimensionale corretta. (La proteina mostrata in figura esiste realmente, ma nel suo complesso questa figura è del tutto immaginaria). Il numero di questi filamenti, all interno del nucleo delle cellule, è piccolo ma estremamente preciso e specifico per ogni organismo. Nell uomo, in qualunque sua 6

6 cellula, i filamenti di DNA sono 46, costituiti in realtà da 23 coppie di filamenti, in cui ciascuna coppia è formata da due filamenti separati e autonomi, la cui sequenza di geni, però, è esattamente la stessa; mentre la sequenza di nucleotidi di uno stesso gene presenta delle variazioni. Ciascun filamento di DNA costituisce un cromosoma. La fase di trascrizione, citata sopra come fase di consultazione dell archivio, consiste nella sintesi chimica di una copia esatta di un gene, sottoforma però di RNA a singola elica (una singola elica di acido ribonucleico nella quale ogni timina è sostituita da un nucleotide simile, detto uracile). Affinché questo tratto di RNA si trasformi in una proteina è necessario che avvenga una fase di traduzione, basata appunto su un codice, il codice genetico. Il cromosoma e la replicazione del patrimonio genetico. Ognuno dei filamenti di DNA presenti nel nucleo è in grado di organizzare un livello strutturale di superavvolgimento per spiralizzazione e compattazione, tale da ridurne la lunghezza complessiva di milioni di volte e assumendo la forma di un bastoncello, strozzato più o meno al centro. Come mostrato in figura 3, i gradi di spiralizzazione sono complessivamente 4. Il primo avviene per avvolgimento attorno a ottameri di proteine chiamate istoni, il secondo è una struttura a spirale vera e propria del filamento risultante, il terzo è un compattamento della spirale a ripetizione di anse ad S e il quarto è un raggomitolamento disordinato. In questo stadio strutturale il DNA prende il nome specifico di cromosoma ed esso si rende visibile al microscopio ottico durante il periodo di divisione della cellula. Nelle fasi di divisione delle cellule dell uomo, il DNA compare nel nucleo organizzato e distinguibile in 46 cromosomi. Nel periodo cellulare di interfase, invece, il DNA di ogni cromosoma è indistinguibile, in quanto molti dei suoi tratti sono despiralizzati ed estesi, affinché possa essere possibile la loro consultazione ovvero la loro trascrizione e, nella fase S, si possa anche svolgere la replicazione. In questa fase, l intera massa di DNA, prende il nome di cromatina. Più specificamente il DNA nel suo stato parzialmente svolto e accessibile viene definito organizzato in eucromatina; il DNA in forma di fibra condensata in cui gli istoni sono completamente aggregati e inaccessibili, viene invece definito eterocromatina. eucromatina eterocromatina Cromosoma condensato Figura 3 Gradi di spiralizzazione del DNA. Tra la forma meno addensata e l addensamento massimo di un cromosoma vi è un rapporto dimensionale di almeno 1:1000. (Alberts B. et al - Molecular Biology of the Cell, ed. it. Zanichelli, 1994) 7

7 Come accennato poco fa, nella sottofase S, quella cosiddetta di sintesi del DNA che occupa più o meno 1/3 del ciclo cellulare, la cromatina inizia anche la replicazione di tutto il DNA presente, ovvero di tutto il patrimonio genetico posseduto. La cellula trascorre quindi un terzo della sua vita ad eseguire la copia integrale di tutto il suo archivio d informazioni al fine di tramandarlo alle cellule figlie. La replicazione del DNA, per sommi capi, si svolge attraverso la separazione delle due eliche di un filamento e la costruzione di due nuove eliche, complementari alle due originali. Al termine ogni filamento avrà dato origine a due filamenti uguali, ciascuno composto da un elica originaria e un elica complementare di nuova sintesi (figura 4). A B C D E Figura 4 Replicazione del DNA. Durante la fase S del ciclo cellulare il DNA (A) viene completamente duplicato. La duplicazione avviene grazie alla separazione delle eliche complementari in vari punti di ogni filamento (B) e alla sintesi di due nuove eliche complementari per ciascuna di quelle preesistenti (C). Al termine ogni filamento di DNA sarà presente in 2 copie uguali formate da un elica preesistente e da un elica complementare di nuova sintesi (D). Nei procarioti (E) il filamento di DNA è circolare e vi è un unica origine di replicazione che si espande via via lungo tutto il cromosoma fino allo sdoppiamento completo. (Curtis, Barnes Invito alla Biologia; Zanichelli) Negli organismi procarioti, privi di nucleo, il cromosoma è decisamente più breve rispetto agli eucarioti e generalmente ha forma circolare chiusa, cioè il filamento di doppia elica è richiuso ad anello. Anche in questo caso esso può variare il suo livello di superavvolgimento, anche se in termini molto più semplici. Nei batteri la massa attiva di DNA viene talvolta chiamata nucleoide. 8

8 Il gene, la ploidia, i cromosomi omologhi e gli alleli. Nell uomo, e in moltissimi altri organismi, nel nucleo delle cellule ogni tipo di cromosoma, con la sua specifica sequenza di geni, è presente in doppia copia; vale a dire che anche ogni gene è presente in doppia copia. Questo corredo multiplo viene descritto con il termine di ploidia e indicato con la lettera n minuscolo: organismi in cui ogni cromosoma e ogni gene è presente in unica copia sono detti aploidi (n), mentre quando sono presenti più copie vengono chiamati poliploidi (nn). L uomo, i mammiferi e moltissimi altri animali superiori sono organismi diploidi (2n), con due copie per ciascun gene o cromosoma. I cromosomi che presentano la stessa sequenza di geni sono detti cromosomi omologhi, le cellule umane contengono quindi 23 coppie di cromosomi omologhi. Su ciascun cromosoma omologo sono presenti, nella stessa esatta posizione, gli stessi geni, i quali, però non è detto che abbiano la stessa esatta sequenza di nucleotidi; anzi, generalmente, non è così e presentano invece piccole variazioni. L attività genica di organismi diploidi come i mammiferi, in termini di funzione proteica corrispondente, è quindi determinata dall azione di due fattori, cioè di due geni corrispondenti alla stessa proteina, ma con sequenze leggermente diverse. Questi due fattori sono rappresentati dai geni omologhi e sono detti alleli. Approfondimenti e Richiami Genotipo e fenotipo. Il fatto che i geni omologhi, cioè gli alleli, possano anche avere sequenze diverse comporta che un gene possa corrispondere ad una proteina più efficiente rispetto a quella corrispondente all altro allele. Spesso ciò fa sì che gli effetti di un gene mascherino addirittura quelli dell altro allele. In questo caso si dice che un allele è dominante mentre l altro è recessivo; per uno stesso gene possono quindi esistere due copie di alleli uguali e dominanti (omozigoti) oppure due copie diverse in cui uno è dominante e l altro recessivo (eterozigoti) o, ancora, due copie uguali ma recessive rispetto a geni uguali ma dominanti, presenti nella stessa popolazione di individui della stessa specie (omozigoti recessivi). La manifestazione dell attività di una proteina, chiamata carattere somatico, è quindi la risultante dell attività di due alleli. Tale risultante visibile, viene definita fenotipo, mentre la composizione specifica del gene nei suoi due alleli è detta genotipo e non è sempre manifesta. Il cromosoma artificiale. Articoli comparsi su due pagine monotematiche in Corriere della sera 07 ott L articolo presenta, senza in verità spiegare granché, i risultati dell ultima ricerca di Craig Venter (che nel 2000 ha consegnato la mappatura finale del genoma umano) il quale per la prima volta avrebbe dato alla luce un cromosoma completo, anche se minimo, del tutto artificiale. Più precisamente si tratterebbe di una versione minimale del cromosoma di Mycoplasma genitalium. Secondo Venter e altri commentatori il traguardo è significativo e dimostra quanto si sia vicini alla realizzazione della vita artificiale. Il prossimo passo sarebbe l inserimento del cromosoma in un organismo privato del suo DNA (vedi Allegato 1). Sequenza del film BLADE RUNNER. A conclusione della discussione sull articolo del Corriere della sera è pertinente inoltrarsi nella provocazione con la visione di una o due sequenze del film di Ridley Scott Blade Runner. Il film di fantascienza, ottimo in termini cinematografici, narra di un poliziotto speciale incaricato di dare la caccia a persone replicanti, ottenute in laboratorio con tecniche di ingegneria genetica, impiegate come soldati in guerre interstellari e successivamente sfuggite al controllo umano. Il film, attraverso la rappresentazione della vita artificiale, invita alla riflessione sui temi della vita intesa in senso esclusivamente meccanicistico, ponendo interrogativi sul concetto di coscienza. Nelle due sequenze il replicante più forte ed evoluto decide di eliminare il suo creatore, umano, e al termine di un duello finale con il poliziotto (interpretato da Herrison Ford) recita sotto la pioggia la famosa frase: Io ne ho viste di cose, che voi umani ecc. 9

9 La riproduzione di una cellula: la divisione La Mitosi. Come accennato parlando del ciclo vitale di una cellula, le cellule giungono ad una fase di attiva preparazione alla divisione, che terminerà con la formazione di due cellule uguali a quella di partenza. Questa fase viene complessivamente definita mitosi (fase M del ciclo) e può occupare a grandi linee anche meno di 1/30 dell intera durata di vita di una cellula. Essa si compone di 5 fasi abbastanza distinte, poste però come una serie ininterrotta di eventi. La prima fase viene definita profase (figura 5) ed è uno stadio nel quale un microscopio ottico consente di cominciare a distinguere un cromosoma dall altro, anche se il compattamento non si è ancora del tutto concluso. I cromosomi non appaiono però come dei bastoncelli, ma come coppie di bastoncelli paralleli, unite in prossimità della loro strozzatura, chiamata centromero. La sintesi di DNA operata dalla cellula, durante la sua fase S, ha infatti prodotto una copia identica per ogni cromosoma e queste due copie si presentano come un unico cromosoma della forma semplificata e ben nota di X, dove le braccia di un lato della X e quelle dell altro lato, corrispondono alla copia esatta dello stesso cromosoma originale e prendono il nome di cromatidi fratelli. Un cromosoma profasico è quindi una struttura composta da 2 cromatidi fratelli uguali. Inoltre è evidente che l organizzazione citoscheletrica della cellula sta cambiando profondamente. Da ciascuno dei due centrioli, infatti, che lentamente stanno migrando ai poli opposti della cellula, iniziano ad allungarsi dei microtubuli, che si orienteranno tutti ad ombrello in direzione del piano dell equatore della cellula, quelli di un centriolo opposti a quelli dell altro, andando a formare una struttura detta anche a pallone da rugby chiamata fuso mitotico (figura 6). I due centrioli attivi prendono il nome di centrosomi. La doppia membrana nucleare inizia a rompersi e dissolversi. A B C Figura 5 Inizio della mitosi. Dall interfase (A), le cellule entrano improvvisamente in una sequenza di notevoli mutamenti. Nella profase (B) i cromosomi cominciano ad essere distinguibili mentre la membrana nucleare si sfalda e va scomparendo. Durante l anafase i cromosomi terminano il loro compattamento e migrano verso il piano equatoriale della cellula, dove vengono connessi ai microtubuli del fuso mitotico (C). (Ricostruzione grafica: Curtis, Barnes Invito alla Biologia; Zanichelli) 0

10 Figura 6 Fuso mitotico e centrosoma. Durante la profase le due coppie di centrioli presenti nella cellula si spostano e migrano ognuna verso i poli opposti della cellula. Durante la migrazione, intorno a ogni coppia di centrioli si rende visibile un area di attività chiamata centrosoma, dalla quale cominciano ad accrescersi lunghe fibre di microtubuli in direzione del piano equatoriale della cellula con una forma raggiata ad ombrello, fino a formare una struttura complessiva a fuso. (Ricostruzione grafica da materiale web Dip. Biologia Università di Pavia) Alla profase segue la prometafase (figura 7): la forma dei cromosomi, composti dai due cromatidi fratelli, si fa ancora più compatta ed evidente; la membrana nucleare è scomparsa, il fuso mitotico si è ulteriormente esteso nel volume cellulare e i centromeri di ogni cromosoma iniziano a legarsi alle estremità dei tubuli del fuso mitotico poste in prossimità del piano dell equatore della cellula. Quindi sopraggiunge la metafase: l attribuzione di questo stadio della divisione cellulare viene fatta quando i cromosomi sono migrati tutti presso il piano equatoriale della cellula, agganciati dai microtubuli dei centrosomi ai cinetocori, strutture specifiche di ancoraggio dei centromeri cromosomici (figura 8). Ad ogni cromosoma sono agganciate, presso i cinetocori, una fibra proveniente da un polo della cellula e una fibra proveniente dal centrosoma del polo opposto. I cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si orientano coricati e paralleli al piano equatoriale. Nella fase successiva, che prende il nome di anafase (figura 9), i cromatidi sono stati separati dai loro rispettivi fratelli, tramite l attività di contrazione dei microtubuli delle fibre del fuso mitotico e da una sorta di attività di risalita sulla fibra del fuso, compiuta dal cinetocoro stesso. In questa fase i cromatidi sono cromosomi a tutti gli effetti. Verso i poli opposti della cellula migrano dunque copie uguali dell intero patrimonio genetico della cellula. Non tutte le fibre del fuso sono agganciate ai cromosomi; alcune sembrano saldate a quelle opposte e allungandosi forzano la cellula a distendersi e ingrandirsi. 1

11 Le fasi conclusive della divisione sono la telofase e la citodieresi vera e propria (figura 9). La telofase può essere interpretata come il corrispettivo della profase ma in direzione costruttiva anziché demolitiva. I cromosomi, sempre più raccolti nelle due aree circoscritte dei poli della cellula originale, iniziano leggermente a despiralizzarsi e intorno ad ognuno di essi cominciano a comparire tratti di membrana nucleare. Durante la citodieresi avviene la vera e definitiva divisione della cellula in due cellule figlie; nella membrana esterna della cellula compare un solco, un setto di divisione all altezza dell equatore che continuerà a stringersi fino alla divisione completa della cellula; anche al piano dell equatore, compaiono tratti di membrana a formare un setto di separazione (figura 10). A B C Figura 7 Seconda parte della mitosi. A metafase ultimata i cromosomi sono allineati sul piano dell equatore della cellula con le zone centromeriche rivolte alle fibre del fuso (A). Durante l anafase i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma vengono separati e iniziano la migrazione verso i poli della cellula per attività contrattile delle fibre del fuso e dei cinetocori (B). La telofase è l inizio della divisione vera e propria: la cellula si strozza all equatore e attorno ai cromosomi separati ai due estremi della cellula si iniziano a formare due nuovi nuclei; le fibre del fuso vanno scomparendo (C). (Ricostruzione grafica: Curtis, Barnes Invito alla Biologia; Zanichelli) 2

12 Figura 8 Separazione dei cromatidi fratelli in anafase. A metafase ultimata i cromosomi sono allineati sul piano dell equatore della cellula con le zone centromeriche aderenti al fuso mitotico. I cinetocori, infatti sono attaccati alle fibre del fuso (A-B). Durante l anafase (C), i cromatidi fratelli di ciascun cromosoma vengono separati e iniziano la migrazione verso i poli della cellula. Il movimento è prodotto dall attività contrattile delle fibre del fuso e dei cinetocori (A). (Ricostruzione grafica da materiale web assortito) Figura 10 Citodieresi. Citodieresi di una cellula animale con formazione del solco di scissione osservata al microscopio elettronico a scansione. (Campbell, Reece, Taylor, Simon Immagini della Biologia (A) La cellula; Zanichelli) 3

13 Altri modelli di divisione cellulare. Nelle cellule vegetali il processo di citodieresi è diverso a causa della presenza della parete cellulare esterna che è rigida. Nella cellula vegetale non compaiono i centrosomi e la divisione avviene dopo che al centro si è formata una piastra di separazione, costituita da un deposito di polisaccaridi rilasciati da vescicole provenienti dall apparato di Golgi e da un accumulo di pectina. La piastra di separazione matura diventerà la lamella mediana frapposta fra le due nuove cellule, le quali inizieranno autonomamente a costruire la membrana fosfolipidica e a depositare lo strato primario della parete. A quest ultimo, col tempo, viene successivamente sovrapposto il deposito secondario più spesso, inserito tra la parete primaria a la membrana lipidica (figura 11). Nei batteri, invece, la divisione avviene per scissione binaria, un processo che prevede che la cellula, prima di dividersi, si sia allungata pari a circa due volte la lunghezza iniziale del microrganismo. Nel frattempo, il DNA cromosomico circolare si è completamente duplicato e le due nuove copie hanno ancorato un breve tratto alla membrana dei due poli opposti di divisione. Dividendosi, la cellula, separa perfettamente le due copie uguali di cromosoma (già mostrato in figura 4 E). lamella mediana Figura 11 Citodieresi nella cellula vegetale. La divisione avviene in seguito alla deposizione in zona mediana della piastra di separazione, costituita da polisaccaridi e da un accumulo di pectina. La piastra di separazione matura diventa la lamella mediana frapposta fra le due nuove cellule, nelle quali inizia la costruzione della membrana fosfolipidica e il deposito dello strato primario della parete. A quest ultimo viene successivamente sovrapposto il deposito secondario più spesso, inserito tra la parete primaria a la membrana lipidica. (Tobin, Dusheck Bios2 Genetica ed Evoluzione; Mondadori) Contenuti sull esperienza di laboratorio Cellule mitotiche in apici radicali di cipolla. È possibile, con una dotazione minima di strumenti di laboratorio, osservare il complesso fenomeno della mitosi nelle sue fasi fondamentali. Ciò è reso possibile da un facile allestimento appropriato di cellule che si trovano negli apici radicali di cipolla, a livello dei quali vi è un intensa attività di proliferazione cellulare. 4

14 La cipolla è un bulbo, cioè un fusto molto corto e trasformato in un unica gemma che cresce sottoterra, sul quale le foglie sono trasformate in tuniche carnose. La radice si sviluppa senza che prevalga una radice principale, che viene sostituita da una quantità di radici che spuntano dalla base del fusto, avvolte da un tessuto chiamato cuffia avente il compito di proteggere i meristemi apicali esposti a ruvidi contatti, man mano che la radice si allunga nel terreno. L'allungamento della radice non è dovuto ad un reale spostamento delle sue cellule, ma alla produzione di nuove cellule che continuamente si aggiungono in posizione apicale. Il tessuto che svolge il compito di produrre nuove cellule è il tessuto meristematico, che si trova all'interno della cuffia, da essa strettamente avvolto e protetto. Le cellule del tessuto meristematico sono cellule piccole ed appiattite, in cui il nucleo è ancora ben evidente e facilmente colorabile; sono cellule "giovani", non ancora differenziate che mantengono la capacità di dividersi per tutta la vita della cellula e che quindi non hanno ancora assunto le caratteristiche morfologiche che le permetteranno di svolgere un determinato compito. Se queste cellule hanno conservato la capacità di dividersi, per dare origine a cellule identiche, non è però detto che i processi di divisione si susseguano incessantemente, essi infatti subiscono l'influenza delle condizioni ambientali (temperatura, disponibilità di alimenti) e stagionali (ore di luce). I meristemi apicali sono attivi soprattutto in primavera mentre in autunno e in inverno sospendono la loro attività per riprenderla la primavera successiva. Tali cellule, per queste caratteristiche, differiscono quindi dalle cellule vegetali "adulte" che in molti casi sono ormai incapaci di dividersi e sono caratterizzate dalla presenza al loro interno di un grande vacuolo, contenente acqua e sostanze di riserva, che occupa anche più del 90% del volume cellulare e che schiaccia il nucleo lungo la parete cellulare rendendolo quindi difficile da osservare. Nonostante, come detto in precedenza, la cellula vegetale svolga la sua divisione in modo piuttosto diverso dalle cellule animali, in realtà le cellule degli apici radicali sono costituite da una parete meno ispessita che può anche essere eliminata dalla procedura sperimentale e, quindi, possono fornire un immagine delle fasi mitotiche paragonabile a quella di cellule animali. Inoltre, l osservazione delle cellule ordinate a mattone dalla presenza delle pareti, consente anche di elaborare concetti riguardanti il ciclo cellulare, che però qui non sono stati fatti. Per la procedura si veda il protocollo (Allegato 2). La riproduzione sessuata degli organismi Il sesso. Dal punto di vista biologico, il sesso è un differenziamento a livello di organi di uno stesso individuo oppure a livello di individui appartenenti alla stessa specie, a seguito del quale questi organi o individui differenziati assumono un identità cosiddetta di genere che può essere di tipo maschile o femminile. Il differenziamento di genere consente di realizzare il processo di riproduzione tramite il concorso non di un solo individuo ma di due (riproduzione sessuata). Il sesso è un potente mezzo di miglioramento dei caratteri di cui si è portatori, che agisce offrendo la possibilità di aumentare sensibilmente la velocità e la severità dei processi di selezione naturale. Per fare un parallelo sportivo, sarebbe come se, per migliorare le doti complessive di una squadra di calcio, si provassero a caso diverse combinazioni di giocatori più o meno bravi, arrivando rapidamente alla selezione della compagine vincente. Se ogni giocatore venisse studiato e selezionato singolarmente, il processo sarebbe molto più lento. La riproduzione sessuata è basata in sostanza su un energico rimescolamento di caratteri che avviene, prima rimescolando i propri e poi effettuando una fusione di caratteri con quelli del partner di sesso opposto, il quale si è anch esso preoccupato di rimescolare i suoi. Il prodotto di queste mescolanze è un figlio che non assomiglia ai due genitori e che si espone alla forza selettiva della natura con un formato nuovo, la cui efficacia è del tutto ignota e casuale. Si tratta quindi di un sistema che può dare origine a figli deboli ma che può casualmente dare origine anche a figli più forti o abili. La natura opererà la sua impietosa selezione premiando i figli più adatti all ambiente e consentendo a quel tipo di 5

15 individui (cioè a quella specie ) di fare un certo salto di qualità nella collezione dei suoi caratteri utili alla sopravvivenza e alla riproduzione. Si tenga presente, tra l altro, che il figlio è il frutto di due individui e non di uno solo e quindi non proviene da un solo processo di selezione ma da due, il che raddoppia le sue probabilità di essere il più adatto. Approfondimenti e Richiami Il modo in cui Darwin rilesse ogni manifestazione di variabilità dei caratteri degli esseri viventi, sia tra i diversi ordini e le diverse specie di organismi che all interno di una stessa specie o di una famiglia di animali, fu di grande impatto per tutta la comunità scientifica e per l opinione pubblica. Le sue ipotesi molto razionali risultarono subito molto convincenti, come se esse risiedessero già in forma quiescente fra le idee di molti ricercatori e pensatori. Darwin ebbe senza dubbio il merito di proporre una grande integrazione di frammenti di ipotesi e sospetti, dandogli voce con estrema lucidità e razionalità; senza farsi minimamente influenzare dall effetto che queste idee avrebbero potuto produrre sulla società nel suo insieme. In effetti la società rimase tutt altro che indifferente ad ogni suo livello e presero piede anche molte nuove piccole teorie, diramate da quella generale sull origine delle specie. Alcune di esse, che vedevano anche nei processi sociali di distinzione di classe e di emarginazione una forma di selezione naturale, coltivavano l idea che l uomo potesse attivamente prendervi parte e che l umanità potesse accelerare il miglioramento della sua specie attraverso la discriminazione cosciente di intere popolazioni. Gli effetti furono, come si sa nel caso ad esempio del nazismo, anche di una drammaticità inaudita. Ancora oggi, del resto, Alex Gibney, amministratore delegato della Enron, la famosa grande società energetica americana, crollata dopo un gigantesco collasso finanziario, ha dichiarato di essere animato da intenzioni razionali del tutto scientifiche di carattere biologico. L amministratore della Enron ha dichiarato davanti ai giudici e all opinione pubblica che il suo comportamento dissoluto, con cui ha frodato milioni di cittadini americani e ha provocato gravi incendi nello stato del Messico tramite black-out programmati di energia, era giustificato dalle grandi novità scientifiche contenute nei lavori di Richard Dawkins sull evoluzionismo; soprattutto la sua famosa opera Il gene egoista. È certo, però, che né Darwin né Dawkins avessero qualcosa a che vedere con questo tipo di conclusioni. Riporto, anche se di non facilissima lettura, un brano tratto da L origine dell uomo di Charles Darwin sulla selezione sessuale. Al contrario ci sono molte altre strutture e istinti che sono stati certamente sviluppati dalla selezione sessuale, come le armi per l attacco e i mezzi di difesa di cui si servono i maschi per lottare contro altri maschi e per eliminare i loro rivali; il loro coraggio e la loro combattività; i loro ornamenti di ogni genere; i loro organi per produrre della musica vocale o strumentale; e le loro ghiandole che emettono degli odori; la maggior parte di queste ultime strutture servono solo ad attirare o eccitare le femmine; è evidente che questi caratteri sono il risultato della selezione sessuale e non della selezione corrente, poiché maschi non armati, non ornati e non attraenti riuscirebbero altrettanto bene nella lotta per l esistenza e nella produzione di numerosi discendenti se non esistessero altri maschi più dotati di loro C. Darwin L origine dell uomo, I gameti. Affinché dalla fusione dei patrimoni genetici di due individui nasca un nuovo individuo, dotato di un unico e corretto corredo genetico, è indispensabile che il DNA di ogni individuo possa essere dimezzato prima della fusione. In effetti, negli organismi diploidi (2n) ciascun cromosoma è presente in due copie, che abbiamo detto chiamarsi omologhe, non perfettamente uguali ma con identica sequenza di geni. Per questa ragione, la modalità utilizzata per il dimezzamento del patrimonio genetico negli esseri viventi con riproduzione sessuata consiste nella divisione di una cellula genitore in due cellule aploidi (n), nelle quali è presente una sola copia per ciascuno dei cromosomi del patrimonio. Queste cellule, destinate a fondersi con cellule aploidi di uguale natura, provenienti da un altro individuo vengono chiamate gameti. Negli esseri viventi in cui il sesso ha prodotto anche una profonda differenziazione morfologica, cioè ha prodotto individui distinti di sesso maschile e di sesso femminile, queste cellule sono chiamate gameti maschili e gameti femminili e, in base alla loro forma, hanno acquisito nomi propri. Alcuni esempi sono lo spermatozoo e l ovulo, i 6

16 gameti rispettivamente maschile e femminile presenti nei vertebrati e in molti altri animali, oppure il polline, gamete maschile dei fiori delle piante. Per maggior precisione, anche in assenza di differenziazione sessuale, alcuni organismi sono in grado di produrre, anche da uno stesso individuo gameti di sesso femminile e gameti di sesso maschile (ermafroditismo). La gametogenesi e la meiosi. La formazione dei gameti spetta a cellule specializzate dette della linea germinale. Nel loro processo di differenziamento è compresa una fase in cui ogni cellula germinale andrà incontro a due divisioni successive. Tale processo è chiamato meiosi, al termine del quale ogni cellula germinale avrà dato 4 gameti aploidi diversi. Il processo meiotico, infatti, oltre a produrre cellule aploidi con corredo dimezzato esegue dei processi destinati a differenziare ciascun gamete dall altro, in modo che ve ne possano mai essere di uguali. Le due divisioni successive delle cellule della linea germinale dividono il processo unico della meiosi in una meiosi I e in una meiosi II; fondamentalmente, due processi di mitosi in successione. Il punto focale della meiosi è rappresentato dagli eventi della meiosi I, durante la quale avvengono i fenomeni di rimescolamento genico di cui si accennava prima. Fasi della Meiosi e raffronti con la Mitosi Le fasi della meiosi I. Le differenti fasi della mitosi prima descritte prestano il loro nome anche alle fasi meiotiche, ciò che tuttavia accade nelle analoghe fasi della meiosi può essere anche molto diverso. Nella profase della meiosi I (figura 13), infatti, i cromosomi, composti come si diceva da due cromatidi fratelli, oltre ad essere nella fase terminale della loro spiralizzazione compiono un processo aggiuntivo. Essi sono in grado di riconoscere e di affiancare i rispettivi cromosomi omologhi presenti nella stessa cellula. Questo appaiamento forma perciò strutture composte da quattro cromatidi paralleli, due dei quali sono fratelli, e quindi uguali, e due dei quali sono invece omologhi ovvero solo con la stessa sequenza genica. Queste strutture sono chiamate tetradi ed in esse si svolge un processo chiamato crossing-over. Il crossing-over è un fenomeno centrale nella variabilità genetica prodotta dalla formazione dei gameti. Durante questo processo, interi tratti di cromosoma possono essere scambiati da un cromatidio ad un altro tra quelli componenti la tetrade, purchè il tratto scambiato si trovi alla stessa altezza (regioni omologhe) e che la sequenza dei geni venga rigorosamente conservata (figura 12). Ciò che viene scambiato, quindi, sono geni che possono essere diversi solo in alcuni punti della loro sequenza di nucleotidi, ad esempio alleli dominanti con i loro alleli omologhi ma recessivi; oppure anche geni entrambi a carattere dominante ma con sequenze nucleotidiche non identiche. La meiosi I, a questo punto, incontra le fasi di metafase I e anafase I (figura 13). Meccanicamente esse si svolgono come nella mitosi; la differenza sostanziale sta nel fatto che, nella metafase I della meiosi, i cromosomi migrano al piano dell equatore nella forma di tetradi. Nella successiva anafase I, la migrazione ai poli non produce la separazione dei cromatidi fratelli come in mitosi, ma solo la separazione dei cromosomi omologhi delle tetradi, ancora composti dai due cromatidi fratelli. La meiosi I si conclude con una telofase e una citodieresi uguali a quelle della divisione mitotica con la differenza che non avviene la ricostruzione completa dei nuclei in quanto le cellule devono andare incontro ad una nuova divisione. 7

17 Cromosomi omologhi Centromero Cromatidi fratelli Centromeri Scambio di tratti di cromosoma Cromatidi fratelli Figura 12 - Crossing-over. I cromosomi, composti da due cromatidi fratelli, sono in grado di riconoscere e affiancare i rispettivi cromosomi omologhi presenti nella stessa cellula. L appaiamento forma le tetradi in cui si svolge il processo del crossing-over. Intere regioni omologhe di cromosoma possono essere scambiate da un cromatidio ad un altro conservando rigorosamente la sequenza dei geni. In alto a destra una fase di crossingover al microscopio elettronico. (Ricostruzione grafica da materiale web assortito) Approfondimenti e Richiami Il riassortimento indipendente dei geni. Questa migrazione opposta dei cromosomi omologhi è una fonte secondaria di variabilità genetica, in quanto non esistono meccanismi in grado di discriminare quale dei due cromosomi omologhi debba raggiungere un polo della cellula piuttosto che l altro. Pertanto, se prendiamo in considerazione solo geni situati su cromosomi diversi, essi effettueranno una segregazione ai poli della cellula che fra loro sarà di tipo indipendente. L effetto è che, geni dominanti o recessivi che siano, situati su cromosomi diversi, subiranno un riassortimento indipendente e casuale. In più, il fenomeno del crossing-over fa in modo che tale riassortimento casuale possa avvenire anche per geni che risiedevano sullo stesso cromosoma, grazie allo scambio di tratti di cromosoma all interno delle tetradi. Geni presenti sullo stesso cromosoma, ridurranno la loro probabilità di segregare indipendentemente dagli altri geni dello stesso cromosoma man mano saranno più vicini. Le fasi della meiosi II. La meiosi II è un altro processo di mitosi a tutti gli effetti, che avviene a carico di ciascuna delle due cellule prodotte dalla divisione della meiosi I. Ciò che cambia non sono gli eventi, ma solo la composizione cromosomica delle cellule originarie e di quelle figlie. La profase II della meiosi (figura 14) non prevede un riarrangiamento strutturale del DNA, il quale si conserva nello stato di compattamento proveniente dalla meiosi I. Ciò che accade con regolarità, analogamente alla profase mitotica, è la formazione del fuso mitotico. 8

18 A profase I metafase I anafase I telofase I interfase II B C D E Figura 13 Meiosi I. La prima divisione del processo meiotico è chiamata Meiosi I. Si tratta di una sostanziale mitosi, ma durante la profase ogni cromosoma si affianca al proprio omologo formando i chiasmi (A). Nella metafase i cromosomi sono regolarmente disposti sul piano equatoriale della cellula, ma ogni coppia di cromosomi omologhi è associata alle fibre del fuso lungo la stessa linea (B). Nella anafase I, infatti, le fibre del fuso non separano i cromatidi fratelli, come nella mitosi, ma separano ogni cromosoma omologo. Nella telofase e nella citodieresi (D-E) si abbozzano due nuclei contenenti una singola collezione di cromosomi omologhi. (Ricostruzione grafica: Curtis, Barnes Invito alla Biologia; Zanichelli) Nella metafase II della meiosi, avviene la regolare separazione e segregazione dei cromatidi fratelli. Non va però dimenticato che l insieme dei cromatidi fratelli, che ora si stanno separando e quindi sono cromosomi a tutti gli effetti, compongono un corredo aploide (n), perché nessuno di essi possiede più la sua parte omologa all interno della stessa cellula. Ogni cromosoma omologo è stato precedentemente confinato in una cellula differente durante la divisione della meiosi I (figura 14). Alla metafase II succedono regolarmente la telofase II e la citodieresi II le quali ricostituiscono correttamente i due nuovi nuclei ed effettuano la seconda divisione vera e propria, con la formazione finale di un totale di quattro cellule. Queste quattro cellule sono i quattro gameti, i quali, successivamente, concluderanno se necessario il loro differenziamento morfologico che li renderà adeguati al loro ruolo. Ogni gamete conterrà perciò un corredo aploide (n) costituito da una sola copia per ciascun gene del patrimonio complessivo dell organismo. 9