Gli eucarioti hanno due tipi principali di divisione cellulare: mitosi e meiosi. La mitosi è usata per produrre nuove cellule del corpo per la crescita e la guarigione, mentre la meiosi è usata per produrre cellule sessuali (uova e sperma). La meiosi sarà discussa in un capitolo successivo.
Il ciclo cellulare è una serie ordinata di eventi che coinvolgono la crescita e la divisione cellulare che produce due nuove cellule figlie attraverso la mitosi. La durata del ciclo cellulare è molto variabile anche all’interno delle cellule di un singolo organismo. Negli esseri umani, la frequenza del ricambio cellulare varia da poche ore nel primo sviluppo embrionale a una media di due-cinque giorni per le cellule epiteliali, o a un’intera vita umana trascorsa senza dividersi in cellule specializzate come i neuroni corticali o le cellule muscolari cardiache. C’è anche una variazione nel tempo che una cellula trascorre in ogni fase del ciclo cellulare. Quando le cellule dei mammiferi a divisione rapida sono coltivate in coltura (fuori dal corpo in condizioni ottimali di crescita), la lunghezza del ciclo è di circa 24 ore. La tempistica degli eventi nel ciclo cellulare è controllata da meccanismi che sono sia interni che esterni alla cellula.
Le cellule sulla via della divisione cellulare procedono attraverso una serie di fasi di crescita, replicazione del DNA e divisione accuratamente regolate, che producono due cellule geneticamente identiche. Il ciclo cellulare ha due fasi principali: l’interfase e la fase mitotica (Figura 1). Durante l’interfase, la cellula cresce e il DNA viene replicato. Durante la fase mitotica, il DNA replicato e il contenuto citoplasmatico sono separati e la cellula si divide.
Durante l’interfase, la cellula subisce processi normali mentre si prepara anche alla divisione cellulare. Affinché una cellula passi dall’interfase alla fase mitotica, devono essere soddisfatte molte condizioni interne ed esterne. I tre stadi dell’interfase sono chiamati G1, S e G2.
Fase G1 (primo gap)
Il primo stadio dell’interfase è chiamato fase G1 (primo gap) perché, da un aspetto microscopico, pochi cambiamenti sono visibili. Tuttavia, durante la fase G1, la cellula è abbastanza attiva a livello biochimico. La cellula sta accumulando i mattoni del DNA cromosomico e le proteine associate, nonché accumulando riserve di energia sufficienti per completare il compito di replicare ogni cromosoma nel nucleo.
Fase S (Sintesi del DNA)
Per tutta l’interfase, il DNA nucleare rimane in una configurazione di cromatina semi-condensata. Nella fase S, la replicazione del DNA può procedere attraverso i meccanismi che portano alla formazione di coppie identiche di molecole di DNA – cromatidi sorella – che sono saldamente attaccati alla regione centromerica (Figura 2).
Anche il centrosoma viene duplicato durante la fase S. I due centrosomi daranno origine al fuso mitotico, l’apparato che orchestra il movimento dei cromosomi durante la mitosi. Al centro di ogni cellula animale, i centrosomi delle cellule animali sono associati a una coppia di oggetti simili a bastoncini, i centrioli, che sono ad angolo retto tra loro. I centrioli aiutano a organizzare la divisione cellulare. I centrioli non sono presenti nei centrosomi di altre specie eucariotiche, come le piante e la maggior parte dei funghi.
Fase G2 (Secondo Gap)
Nella fase G2, la cellula riempie le sue riserve di energia e sintetizza le proteine necessarie alla manipolazione dei cromosomi. Alcuni organelli cellulari vengono duplicati e il citoscheletro viene smantellato per fornire risorse per la fase mitotica. Ci può essere un’ulteriore crescita cellulare durante G2. I preparativi finali per la fase mitotica devono essere completati prima che la cellula possa entrare nel primo stadio della mitosi.
La fase mitotica
Per creare due cellule figlie, il contenuto del nucleo e del citoplasma deve essere diviso. La fase mitotica è un processo in più fasi durante il quale i cromosomi duplicati sono allineati, separati e spostati ai poli opposti della cellula, e poi la cellula si divide in due nuove cellule figlie identiche. La prima parte della fase mitotica, la mitosi, è composta da cinque fasi, che realizzano la divisione nucleare (Figura 5). La seconda parte della fase mitotica, chiamata citochinesi, è la separazione fisica dei componenti citoplasmatici in due cellule figlie. Anche se le fasi della mitosi sono simili per la maggior parte degli eucarioti, il processo di citochinesi è abbastanza diverso per gli eucarioti che hanno pareti cellulari, come le cellule vegetali.
Profase
Durante la profase, la “prima fase”, l’involucro nucleare inizia a dissociarsi in piccole vescicole, e gli organelli membranosi (come l’apparato di Golgi e il reticolo endoplasmatico), si frammentano e si disperdono verso i bordi della cellula. Il nucleolo scompare. I centrosomi iniziano a spostarsi verso i poli opposti della cellula. I microtubuli che formeranno il fuso mitotico si estendono tra i centrosomi, spingendoli più lontani tra loro mentre le fibre dei microtubuli si allungano. I cromatidi fratelli cominciano ad avvolgersi più strettamente con l’aiuto delle proteine della condensina e diventano visibili al microscopio ottico.
Prometafase
Durante la prometafase, la “prima fase di cambiamento”, molti processi iniziati nella profase continuano ad avanzare. I resti dell’involucro nucleare si frammentano. Il fuso mitotico continua a svilupparsi mentre altri microtubuli si assemblano e si estendono per tutta la lunghezza dell’ex area nucleare. I cromosomi diventano più condensati e discreti. Ogni cromatide sorella sviluppa una struttura proteica chiamata cinetocoro nella regione centromerica.
Le proteine del cinetocoro attirano e legano i microtubuli del fuso mitotico. Quando i microtubuli del fuso si estendono dai centrosomi, alcuni di questi microtubuli entrano in contatto e si legano saldamente ai cinetocori. Una volta che una fibra mitotica si attacca a un cromosoma, il cromosoma si orienta fino a quando i cinetocori dei cromatidi fratelli sono rivolti verso i poli opposti. Alla fine, tutti i cromatidi fratelli saranno attaccati tramite i loro cinetocori ai microtubuli dei poli opposti. I microtubuli del fuso che non si attaccano ai cromosomi sono chiamati microtubuli polari. Questi microtubuli si sovrappongono a metà strada tra i due poli e contribuiscono all’allungamento della cellula. I microtubuli astrali si trovano vicino ai poli, aiutano nell’orientamento del fuso e sono necessari per la regolazione della mitosi.
Metafase
Durante la metafase, la “fase del cambiamento”, tutti i cromosomi sono allineati in un piano chiamato piastra di metafase, o piano equatoriale, a metà strada tra i due poli della cellula. I cromatidi fratelli sono ancora strettamente attaccati l’uno all’altro dalle proteine della coesina. In questo momento, i cromosomi sono massimamente condensati.
Anafase
Durante l’anafase, la “fase ascendente”, le proteine della coesina si degradano e i cromatidi fratelli si separano al centromero. Ogni cromatide, ora chiamato cromosoma, viene tirato rapidamente verso il centrosoma al quale è attaccato il suo microtubulo. La cellula diventa visibilmente allungata (a forma ovale) mentre i microtubuli polari scivolano l’uno contro l’altro sulla piastra di metafase dove si sovrappongono.
Telofase
Durante la telofase, la “fase di distanza”, i cromosomi raggiungono i poli opposti e cominciano a decondensarsi (disfarsi), rilassandosi in una configurazione di cromatina. I fusi mitotici vengono depolimerizzati in monomeri di tubulina che verranno utilizzati per assemblare i componenti del citoscheletro di ogni cellula figlia. Gli involucri nucleari si formano intorno ai cromosomi, e i nucleosomi appaiono all’interno dell’area nucleare.
Citocinesi
La citocinesi, o “moto cellulare”, è il secondo stadio principale della fase mitotica durante il quale la divisione cellulare viene completata attraverso la separazione fisica dei componenti citoplasmatici in due cellule figlie. La divisione non è completa finché i componenti cellulari non sono stati divisi e completamente separati nelle due cellule figlie. Anche se le fasi della mitosi sono simili per la maggior parte degli eucarioti, il processo di citochinesi è abbastanza diverso per gli eucarioti che hanno pareti cellulari, come le cellule vegetali.
In cellule come quelle animali che non hanno pareti cellulari, la citochinesi segue l’inizio dell’anafase. Un anello contrattile composto da filamenti di actina si forma proprio all’interno della membrana plasmatica nella vecchia piastra di metafase (Figura 12). I filamenti di actina tirano l’equatore della cellula verso l’interno, formando una fessura. Questa fessura, o “crepa”, è chiamata solco di clivaggio. Il solco si approfondisce man mano che l’anello di actina si contrae, e alla fine la membrana viene tagliata in due.
Nelle cellule vegetali, una nuova parete cellulare deve formarsi tra le cellule figlie. Durante l’interfase, l’apparato di Golgi accumula enzimi, proteine strutturali e molecole di glucosio prima di rompersi in vescicole e disperdersi nella cellula in divisione (Figura 12). Durante la telofase, queste vescicole del Golgi sono trasportate su microtubuli per formare un fragmoplasto (una struttura vescicolare) sulla piastra di metafase. Lì, le vescicole si fondono e si coalizzano dal centro verso le pareti cellulari; questa struttura è chiamata piastra cellulare. Man mano che più vescicole si fondono, la placca cellulare si allarga fino a fondersi con le pareti cellulari alla periferia della cellula. Gli enzimi usano il glucosio che si è accumulato tra gli strati di membrana per costruire una nuova parete cellulare. Le membrane del Golgi diventano parti della membrana plasmatica su entrambi i lati della nuova parete cellulare.
Sommario di Mitosi e Citochinesi
Figura 13 La mitosi è divisa in cinque fasi: fase, prometafase, metafase, anafase e telofase. Le immagini in basso sono state prese al microscopio a fluorescenza di cellule colorate artificialmente con coloranti fluorescenti: la fluorescenza blu indica il DNA (cromosomi) e quella verde i microtubuli (apparato del fuso). (credito “disegni di mitosi”: modifica del lavoro di Mariana Ruiz Villareal; credito “micrografie”: modifica del lavoro di Roy van Heesbeen; credito “micrografia della citochinesi”: Wadsworth Center/New York State Department of Health; scale-bar data from Matt Russell)
Fase G0
Non tutte le cellule aderiscono al classico schema del ciclo cellulare in cui una cellula figlia appena formata entra immediatamente in interfase, seguita da vicino dalla fase mitotica. Le cellule in fase G0 non si preparano attivamente a dividersi. La cellula è in una fase quiescente (inattiva), essendo uscita dal ciclo cellulare. Alcune cellule entrano temporaneamente in G0 finché un segnale esterno non innesca l’inizio della G1. Altre cellule che non si dividono mai o raramente, come il muscolo cardiaco maturo e le cellule nervose, rimangono in G0 permanentemente.