5 LA DIVISIONE CELLULARE E LA RIPRODUZIONE 5.1 La divisione cellulare La divisione cellulare è il processo fondamentale attraverso il quale una cellula termina il suo ciclo vitale e produce due o più nuove cellule. Lo schema più semplice è quello della scissione binaria: una cellula si divide formando in genere due nuove cellule (divisione mitotica e divisione amitotica). In alcuni organismi, per lo più unicellulari, la divisione binaria è mascherata: da una cellula si forma un elevato numero di cellule in quanto la divisione cellulare si svolge solo dopo molteplici scissioni binarie dei nuclei. Uno schema più complesso, invece, porta alla formazione di quattro nuove cellule (divisione meiotica). Limitandoci agli organismi Eucarioti, la divisione cellulare si svolge generalmente nei seguenti casi: 1) Mitosi: meccanismo di divisione che mantiene inalterato il corredo cromosomico ed è finalizzato ai seguenti scopi: - negli organismi unicellulari: moltiplicazione e riproduzione asessuata; - negli organismi pluricellulari: accrescimento per moltiplicazione cellulare, rigenerazione dei tessuti e, in alcuni gruppi di organismi, moltiplicazione per riproduzione asessuata. 2) Meiosi: meccanismo di divisione che riduce a metà il corredo cromosomico portandolo da diploide ad aploide ed è finalizzato esclusivamente ai seguenti scopi: - negli organismi unicellulari: riproduzione sessuata; - negli organismi pluricellulari: moltiplicazione per riproduzione sessuata. 5.2 Mitosi La mitosi è un meccanismo di divisione binaria proprio della generalità degli Eucarioti. Le cellule procariote si moltiplicano infatti per mezzo di un meccanismo di scissione binaria definito come amitosi. L'amitosi sembra che ricorra anche in alcuni organismi unicellulari eucarioti (alcuni protozoi e alcune alghe), ma si pensa che, in realtà, si tratti di divisioni mitotiche "mascherate". La mitosi si riassume nelle seguenti prerogative: A. La divisione è binaria: da una cellula madre si formano due cellule figlie. B. Il corredo cromosomico si mantiene invariato: le cellule figlie mantengono lo stesso numero di cromosomi della cellula madre. C. Il cariotipo e il patrimonio genetico restano invariato: le cellule figlie ereditano tutti cromosomi della cellula madre senza che questi abbiano subito una trasformazione. Ne consegue che il pool di geni della cellula madre sia integralmente trasferito alle cellule figlie. In definitiva, la mitosi è un meccanismo di divisione che ha lo scopo di "clonare" le cellule mantenendo integro il progetto biologico. Nella riproduzione asessuata, tipica degli Eucarioti unicellulari e di quelli pluricellulari meno evoluti, ha lo scopo di moltiplicare rapidamente gli individui attraverso una clonazione a scapito della variabilità genetica. Nell'accrescimento e nella rigenerazione ha lo scopo di trasmettere a tutte le cellule dell'organismo pluricellulare lo stesso progetto biologico. 5.2.1 Ciclo cellulare. La vita di una cellula si svolge nel corso di un ciclo cellulare in cui si succedono due fasi: una lunga, detta interfase, e una breve, detta fase M. Ciascuna di queste si suddivide a sua volta in più fasi (Fig. 42). 32 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
Nell'interfase, la cellula svolge le sue funzioni vitali per poi prepararsi alla divisione. Si divide in tre fasi: - fase G 1 : la cellula, derivata da una divisione, cresce e svolge le ordinarie funzioni metaboliche; - fase S: si svolge la duplicazione del DNA; - fase G 2 : la cellula si ingrandisce e si prepara alla divisione mitotica. Durante la fase M si svolge la divisione cellulare, che si suddivide in due momenti concettualmente distinti: - mitosi: la cellula produce due distinti nuclei ripartendo in Fig. 42. Fasi del ciclo cellulare. ciascuno di essi una copia esatta del cariotipo originario; - citodieresi: la cellula divide il suo citoplasma e si scinde nelle due cellule figlie, ripartendo i nuclei e una o più copie delle strutture citoplasmatiche. In genere la citodieresi è immediatamente consecutiva alla mitosi, tuttavia vi sono casi in cui una stessa cellula subisce più divisioni mitotiche prima della citodieresi. In questi casi si forma una cellula plurinucleata. Non è detto che una cellula debba svolgere necessariamente l'intero ciclo cellulare: la maggior parte delle cellule che formano il corpo (cellule somatiche) di un organismo subisce una differenziazione a cui si associa la perdita della capacità di moltiplicarsi. In queste cellule il ciclo si ferma all'interfase che dura fino alla loro morte. 5.2.2 La divisione mitotica. Come detto in precedenza, con la sua divisione, la cellula deve trasferire una riproduzione esatta del suo cariotipo a ciascuna delle due cellule figlie. Dopo aver duplicato tutte le molecole di DNA che formano il suo patrimonio genetico, evento che si svolge nella fase S dell'interfase, la cellula deve perciò organizzarsi strutturalmente e funzionalmente in modo che le due copie del cariotipo siano separate e smistate senza errori. Questi eventi si svolgono nella mitosi, un processo suddiviso in quattro fasi sequenziali: profase, metafase, anafase e telofase. Queste fasi non sono nettamente separate l'una dall'altra, ma per semplicità si possono individuare degli eventi specifici che identificano ciascuna di esse. La mitosi presenta differenze strutturali e funzionali fra le cellule animali e quelle vegetali, perciò si descrive di seguito lo svolgimento del processo nella cellula animale. La preparazione della cellula animale alla divisione mitotica si sintetizza nei seguenti eventi: 1) la cellula organizza i propri cromosomi in modo da renderne possibile la separazione e lo smistamento; 2) la cellula organizza il proprio spazio interno in modo da rendere possibile lo spostamento dei cromosomi nel citoplasma senza l'impedimento della membrana nucleare; 3) la cellula organizza un apparato di smistamento che provvede a separare e spostare in modo ordinato i cromosomi. Questi eventi si evidenziano nella profase, la fase iniziale della mitosi. Di particolare importanza è l'apparato di smistamento, rappresentato dal fuso mitotico, un sistema di microtubuli che "aggancia" e "traina" i cromosomi separandoli ai poli opposti della cellula. Nella cellula animale, il fuso mitotico è originato dai centrosomi. Durante l'interfase, la cellula è provvista di un solo centrosoma, di cui è evidente solo la parte centrale, costituita da una coppia di centrioli (vedi pag. 11, cap. 2), affiancati e con gli assi Fig. 43. Centrioli. ruotati reciprocamente di 90 (Fig. 43). 33 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
Profase. La profase è individuata da una serie di eventi che si svolgono contemporaneamente (Fig. 44): 1) il nucleolo e la cromatina scompaiono gradualmente e al loro posto si evidenziano progressivamente i cromosomi, per effetto della superspiralizzazione del DNA (vedi pag. 23). Ciascun cromosoma è composto da due cromatidi uguali uniti per il centromero; 2) la membrana nucleare si dissolve fino a scomparire del tutto alla fine della profase; 3) i centrosomi si duplicano e si allontanano progressivamente; alla fine della profase, i due centrosomi sono ben distanti e posizionati ai poli opposti della cellula; 4) durante la migrazione, ogni centrosoma emette raggiera numerosi microtubuli, formando una struttura, detta aster, che conferisce ad ogni centrosoma un aspetto stellato (aster = stella). 5) i microtubuli si allungano fino a formare il fuso mitotico. I microtubuli hanno diverse dimensioni e si distinguono in tre tipi: - alcuni sono brevi e si interrompono nello spazio circostante in prossimità dei centrioli: - altri si dirigono verso il centrosoma opposto interrompendosi in prossimitàdel piano equatoriale della cellula; - altri ancora si dirigono verso il centrosoma opposto fino a raggiungerlo. Nel complesso, i microtubuli emessi dai centrosomi formano una struttura, detta fuso mitotico, che sarà utilizzata per trainare i cromosomi. Fig. 44. Da sinistra a destra: progressione della profase. La membrana nucleare, il nucleolo e la cromatina si dissolvono gradualmente, si evidenziano i cromosomi, il centrosoma si duplica in due centrosomi che si spostano ai poli formando il fuso mitotico. Metafase. Alla fine della profase si svolge la metafase. Gli eventi che la identificano sono i seguenti: 1) i cromosomi hanno il massimo grado di condensazione e di visibilità; 2) il centromero di ogni cromosoma è legato da due microtubuli ai due centrosomi (Fig. 45); 3) i microtubuli spostano i cromosomi allineandoli tutti su un piano immaginario, detto piastra o piano equatoriale, disposto nella parte mediana della cellula, fra i due centrosomi (Fig. 46). Fig. 45. Aggancio dei microtubuli al centromero di un cromosoma. Fig. 46. Metafase. 34 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
Anafase. Durante l'anafase ha luogo la migrazione dei cromosomi verso i poli opposti della cellula (Fig. 47). Gli eventi che la identificano sono i seguenti: 1) il centromero di ogni cromosoma si duplica rendendo separabili i cromatidi fratelli; 2) la cellula si allunga progressivamente distanziando ulteriormente i centrosomi; 3) i microtubuli trainano i cromatidi fratelli verso i centrosomi. A questo punto ogni cromatidio diventa a tutti gli effetti un cromosoma a sé; 4) i cromosomi diventano via via meno evidenti. Fig. 47. Da sinistra a destra: progressione dell'anafase. La cellula si allunga e i microtubuli separano i cromatidi fratelli spostandoli verso i poli opposti. I cromosomi iniziano a dissolversi. Telofase. La telofase è la tappa finale della mitosi, durante la quale si ripristinano le condizioni dell'interfase nei nuclei delle cellule figlie (Fig. 48). Gli eventi che la identificano sono i seguenti: 1) i centrosomi riassorbono il fuso mitotico; 2) intorno ai cromosomi separati si formano le membrane nucleari dei due nuovi nuclei; 3) i cromosomi si disolvono progressivamente; 4) ricompare la cromatina e il nucleolo. Fig. 48. Da sinistra a destra: progressione della telofase. I cromosomi si dissolvono e si evidenziano i due nuovi nuclei, con relative membrana nucleare, nucleolo e cromatina, il fuso mitotico viene riassorbito. Alla fine della telofase, la cellula madre non si è ancora divisa, ma presenta due nuclei distinti, che mantengono lo stesso cariotipo del nucleo originario. 5.2.3 Citodieresi. La citodieresi, in genere, segue immediatamente la telofase e consiste nella divisione del citoplasma in modo da separare completamente le due nuove cellule. Questo processo si svolge con differenze marcate tra cellula animale e cellula vegetale, dovute al fatto che quest'ultima è provvista della parete cellulare. Nella cellula animale, in corrispondenza della parte mediana, si forma un anello di actina che si dispone lungo tutto l'equatore della cellula. La contrazione di questo microfilamento provoca l'invaginazione sempre più profonda della membrana cellulare (Fig. 49). Il processo è evidente con la formazione di una strozzatura che, alla fine della citodieresi, separa completamente le due parti di citoplasma. A questo punto, la membrana si fonde completamente in corrispondenza della strozzatura fino a separare del tutto le due nuove cellule. Durante la citodieresi, ogni cellula riceve una parte di tutte le strutture citoplasmatiche (organelli cellulari, citoscheletro, ribosomi e citosol) presenti nella cellula madre. Le dimensioni 35 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
iniziali saranno minori, ma, nel corso della successiva fase G 1, ogni cellula cresce fino a raggiungere le dimensioni compatibili con la sua vita e le sue funzioni. Fig. 49. Da sinistra a destra: progressione della citodieresi nella cellula animale. La membrana subisce un'invaginazione mediana con formazione di una strozzatura che, approfondendosi sempre più determina la separazione delle due nuove cellule. 5.3 Meiosi La meiosi è una divisione cellulare, anch'essa propria degli Eucarioti, che comporta il dimezzamento del cariotipo. Concettualmente si compone di due divisioni binarie consecutive: la prima è una divisione riduttiva che dimezza il cariotipo, la seconda è una normale divisione mitotica. Di conseguenza, da una cellula diploide si formano quattro cellule figlie aploidi. Nel corso della prima divisione si verifica anche lo scambio di tratti di DNA fra i cromosomi omologhi (crossing-over). Questo aspetto è di grande importanza in quanto le molecole di DNA delle cellule figlie possono essere diverse da quelle della cellula madre, essendo derivate da un rimescolamento delle molecole di DNA appartenenti a cromosomi omologhi. Il crossing-over meiotico è dunque uno dei meccanismi che inducono variabilità genetica nella riproduzione degli organismi. La meiosi si riassume nelle seguenti prerogative: A. La divisione è quaternaria: da una cellula madre si formano quattro cellule figlie. B. La divisione è riduttiva perché il cariotipo si dimezza: le cellule figlie sono aploidi, a differenza della cellula madre che è diploide. C. Il patrimonio genetico ereditato dalle cellule figlie è differente rispetto a quello della cellula madre: ogni cellula figlia può ereditare un cromosoma che è un ibrido dei due cromosomi omologhi presenti nella cellula madre. Ne consegue che il pool di geni della cellula madre viene trasmesso alle cellule figlie a seguito di un rimescolamento. Per capire il concetto si pensi alla riproduzione di un testo formato da due frasi: Le scatole rosse contengono patate a polpa gialla. Le casse verdi contengono pesche a polpa bianca. Una riproduzione integrale di questo testo paragonabile alla mitosi produce copie che contengono sempre le due frasi invariate. Si pensi invece a riproduzioni ripetute che producano sempre quattro testi, ciascuno formato da una sola frase. Una prima riproduzione produce i seguenti quattro testi: 1) Le scatole rosse contengono patate a polpa gialla. 2) Le casse verdi contengono pesche a polpa bianca. 3) Le scatole verdi contengono patate a polpa gialla. 4) Le casse rosse contengono pesche a polpa bianca. Una seconda riproduzione produce i seguenti quattro testi: 1) Le scatole rosse contengono patate a polpa gialla. 2) Le casse verdi contengono pesche a polpa bianca. 3) Le scatole rosse contengono patate a polpa bianca. 4) Le casse verdi contengono pesche a polpa gialla. Una terza riproduzione produce i seguenti quattro testi: 1) Le scatole rosse contengono patate a polpa gialla. 2) Le casse verdi contengono pesche a polpa bianca. 3) Le casse rosse contengono patate a polpa bianca. 4) Le scatole verdi contengono pesche a polpa gialla. Come si può osservare, la riproduzione rimescola il contenuto delle due frasi scambiando aggettivi e nomi tra posizioni corrispondenti, perciò può capitare che le scatole possano contenere indifferentemente pesche e non patate, che le patate possano avere la polpa bianca e non gialla, che le scatole siano verdi e non rosse. Non succederà mai, invece, che le scatole possano essere bianche, che le patate possano avere una polpa verde, che le scatole possano contenere casse, che le pesche possano contenere patate e così via, perché sarebbero frasi ottenute scambiano parole non corrispondenti. La meiosi scambia sempre tratti di DNA corrispondenti. 36 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
In definitiva, la meiosi è un meccanismo di divisione che ha lo scopo di produrre cellule che contengono varianti del progetto biologico: a differenza della mitosi, la meiosi non produce cloni, bensì genera diversità. La meiosi, inoltre, si combina con la riproduzione sessuale, che genera un nuovo organismo dalla fusione di cellule di due organismi differenti: è dunque un meccanismo di divisione che riduce a metà il numero di cromosomi, in modo che la riproduzione sessuale ripristini il cariotipo fondamentale di una specie. La meiosi si svolge con due divisioni, ciascuna suddivisa in quattro fasi che, per le analogie, hanno lo stesso nome di quelle in cui si divide la mitosi. Va inoltre ricordato che la seconda divisione meiotica è un processo del tutto simile alla mitosi. Lo schema di suddivisione dell'intero processo è pertanto il seguente: Meiosi I o prima divisione meiotica: Profase I Metafase I Anafase I Telofase I Meiosi II o seconda divisione meiotica: Profase II Metafase II Anafase II Telofase II Tra la prima e la seconda divisione meiotica può inserirsi la citodieresi, ma spesso la cellula passa dalla telofase I alla profase II senza che si abbia la divisione del citoplasma. Può eventualmente verificarsi anche una breve interfase, durante nei due nuclei si riforma la cromatina. A prescindere da questi eventi, in ogni modo, da una sola cellula la meiosi produce sempre quattro cellule figlie. Fig. 50. Da sinistra a destra: progressione della profase I. A differenza della profase della mitosi, i cromosomi omologhi non restano indipendenti ma si affiancano per formare le tetradi. Profase I. Si tratta della fase più importante, quella che presenta gli eventi che segnano la differenza fontamentale tra meiosi e mitosi. Si suole suddividerla in cinque sottofasi. Nella profase I si svolgono gli stessi eventi visti nella profase mitotica, ovvero il dissolvimento della membrana nucleare, la scomparsa del nucleolo e della cromatina, lo sdoppiamento del centrosoma, la formazione del fuso mitotico e, infine, la condensazione dei cromosomi. All'inizio, i cromosomi hanno la stessa conformazione vista nella mitosi, ovvero sono composti da due cromatidi uniti per il centromero, ma nella profase I hanno però un differente comportamento (Fig. 50) che riassumiamo nei seguenti eventi: 1) I cromosomi omologhi si affiancano in corrispondenza dei centromeri, formando delle strutture chiamate tetradi. Il nome tetrade si deve all'aspetto di queste strutture (tetra, "quattro") è costituita dai cromatidi di due cromosomi (Fig. 51). 2) I due cromatidi interni si incrociano in uno o più punti, detti chiasmi (Fig. 51), in corrispondenza dei quali si scambiano tratti corrispondenti della molecola del DNA. È in questa fase, dunque, che si svolge il crossing-over (Fig. 52). Fig. 51. Cromosomi omologhi affiancati in una tetrade durante la meiosi. 37 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
Fig. 52. Meccanismo del crossing-over: i cromatidi interni di una tetrade si incrociano in più punti (chiasmi) e scambiano frammenti omologhi di DNA. Metafase I. Analogamente a quanto avviene nella metafase mitotica, i cromosomi, agganciati dai microtubuli del fuso, si dispongono sul piano equatoriale della cellula. A differenza della mitosi, nella quale i cromosomi omologhi si comportano in modo indipendente l'uno dall'altro, nella meiosi restano associati nelle tetradi (Fig. 53). Questa importante differenza è alla base del meccanismo di riduzione del cariotipo. Anafase I. Nell'anafase, i cromosomi appaiati nelle tetradi si separano migrando ai poli opposti del fuso (Fig. 54). È evidente la differenza sostanziale rispetto alla mitosi: nella mitosi, i cromosomi omologhi sono indipendenti e l'anafase separa i cromatidi di ogni singolo cromosoma, mantenendo Fig. 53. Metafase I. Si confronti con la metafase della mitosi nella figura 46 a pag. 33. inalterato il cariotipo; nella meiosi, invece, si separano i cromosomi omologhi di ogni tetrade, per cui si ottiene il dimezzamento del cariotipo. Fig. 54. Anafase I. Si confronti con l'anafase della mitosi nella fig. 47 a pag. 34: nell'anafase della prima divisione meiotica, non avviene la separazione dei cromatidi di ciascun cromosoma, bensì i cromosomi di ciascuna tetrade. Telofase I, citodieresi e interfase. L'evento principale della telofase I consiste nella formazione della membrana nucleare, con conseguente separazione, all'interno della cellula madre, di due nuclei con cariotipo aploide. Alla telofase può seguire o meno la citodieresi. Nel primo caso, dopo la prima divisione meiotica si formano due cellule aploidi, nel secondo caso una cellula binucleata. Durante la telofase si può anche verificare la despiralizzazione dei cromosomi e la ricomparsa della cromatina. In questo caso si passa ad una interfase che, comunque, è molto breve. Seconda divisione meiotica. Dopo la telofase I o dopo la brevissima interfase, si svolge la seconda divisione meiotica, che interessa i due nuclei aploidi della cellula madre binucleata o le due cellule figlie aploidi. La seconda divisione meiotica si svolge con gli stessi meccanismi di una normale divisione 38 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
mitotica attraverso le fasi di profase II, metafase II, anafase II e telofase II. L'unica differenza rispetto alla mitosi descritta a pag. 32-34 consiste nel fatto che il cariotipo è aploide. Alla meiosi II segue la citodieresi, con formazione, alla fine, di quattro cellule aploidi. 5.4 La riproduzione sessuale e i cicli vitali Una caratteristica ricorrente in tutti gli Eucarioti è la riproduzione sessuale, detta anche riproduzione sessuata, riproduzione gamica, gamìa. Si tratta di un fenomeno attraverso il quale un nuovo organismo si genera per la fusione di due cellule distinte che hanno un patrimonio genetico differente. I due gameti provengono spesso da due individui distinti detti genitori. Nella sua forma più semplice, la riproduzione sessuale consiste nella fusione di due cellule aploidi, dette gameti, prodotte dai due genitori attraverso la meiosi. La meiosi si colloca perciò all'interno di un ciclo, detto ciclo gamico, come meccanismo attraverso il quale viene mantenuto costante il numero di cromosomi degli individui di una specie. Un ciclo gamico (Fig. 55) è composto dall'alternanza tra una fase aploide, nel cui ambito si producono cellule sessuali dette gameti, e una fase diploide, nel cui ambito si producono cellule aploidi. Il passaggio dalla fase Fig. 55. Ciclo gamico degli Eucarioti. aploide alla fase diploide è determinato dalla riproduzione sessuale, evento in cui due gameti si fondono per formare una cellula diploide detta zigote. Il passaggio dalla fase diploide alla fase aploide è determinato dalla meiosi, evento in cui una cellula diploide subisce una divisione riduttiva. Se lo zigote si moltiplica per mitosi, nella fase diploide si sviluppa un organismo diploide. Analogamente, se una cellula ottenuta per meiosi si moltiplica per mitosi, si sviluppa un organismo aploide. Questi organismi possono anche riprodursi per mitosi (riproduzione asessuata o agamica) dando luogo a successioni di generazioni diploidi o aploidi. Ne consegue che gli Eucarioti possono avere diversi tipi di cicli vitali. 5.4.1 Ciclo aplonte. In questo ciclo, tipico di eucarioti poco evoluti (Protisti, Alghe, Funghi primitivi), si formano solo organismi aploidi. Lo zigote si divide subito per meiosi producendo cellule aploidi. Queste si moltiplicano per mitosi originando organismi aploidi unicellulari o pluricellulari. In determinate condizioni, questi organismi producono cellule sessuali (gameti) che, con la gamia, generano lo zigote. 5.4.2 Ciclo diplonte. Questo ciclo ricorre fra gli Animali ed è rappresentato solo da organismi diploidi. Lo zigote si moltiplica per mitosi generando un organismo pluricellulare diploide. A maturità, questo produce per meiosi i gameti (l'uovo, femminile, lo spermatozoo, maschile), che, con la gamia, generano lo zigote. Fig. 56. Ciclo aplonte. Fig. 57. Ciclo diplonte. 39 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA
5.4.3 Ciclo aplodiplonte. È il più complesso, in quanto vede l'alternanza fra generazioni di organismi diploidi e generazioni di organismi aploidi. Ricorre nella generalità delle Piante e nei Funghi più evoluti. Lo zigote si moltiplica generando un organismo pluricellulare diploide (sporofito). che, a maturità, produce per meiosi cellule aploidi (spore). Da ogni spora si origina un organismo aploide (gametofito) che produce i gameti. Nelle piante più evolute, il gametofito, differenziato in ovulo (femminile) e polline (maschile), è un organismo formato da poche cellule contenuto nel fiore prodotto dallo sporofito. Fig. 58. Ciclo aplodiplonte. 40 Appunti di Biologia Giancarlo Dessì, 2012 - Licenza Creative Commons BY-NC-SA