In base alla teoria cellulare una delle proprietà delle cellule è la capacità di autoriprodursi. Il processo grazie al quale una cellula genera un’altra cellula è chiamato divisione cellulare e ha ruoli differenti nel ciclo vitale degli organismi unicellulari e pluricellulari.

Negli organismi unicellulari procariotici ed eucariotici, la divisione cellulare coincide con la riproduzione dell’intero organismo. Negli organismi pluricellulari, invece, la divisione cellulare interviene in processi diversi: serve per la crescita e per il rinnovamento dei tessuti e inoltre è indispensabile per la riproduzione dell’organismo (▶figura 1).

Come vedremo nelle prossime pagine, la riproduzione di un organismo può essere sessuata o asessuata.

• Il processo riproduttivo che prevede l’unione di due gameti (che negli animali sono lo spermatozoo e la cellula uovo) è chiamato riproduzione sessuata. I gameti portano con sé una serie completa di informazioni genetiche, cioè una copia del genoma dell’organismo; pertanto i discendenti ereditano le caratteristiche da entrambi i genitori, ma non sono identici né all’uno né all’altro.
• La riproduzione a partire da un solo genitore, senza intervento dei gameti, è chiamata riproduzione asessuata. In questo caso, quindi, il genitore genera figli geneticamente identici a sé stesso.

Il ciclo vitale di molti organismi prevede solo la riproduzione asessuata, oppure quella sessuata, oppure ancora entrambi i tipi di riproduzione. La riproduzione dei procarioti è asessuata ed è denominata scissione binaria, mentre nel caso degli organismi eucariotici, sia unicellulari, sia pluricellulari, esistono strategie riproduttive differenti da specie a specie.

Le cellule eucariotiche si possono dividere, ovvero riprodurre, in due modi: per mitosi e per meiosi. La mitosi interviene nei processi di accrescimento e di rinnovamento cellulare di tutti gli organismi, indipendentemente dal tipo di riproduzione; la meiosi è invece un evento che riguarda solo i gameti, cioè le cellule coinvolte nella riproduzione sessuata.

In questo paragrafo descriveremo il processo di scissione binaria e vedremo quali sono le differenze tra mitosi e meiosi. I tre processi, pur implicando meccanismi diversi, hanno alcune importanti caratteristiche in comune, che bisogna comprendere prima di analizzare nei dettagli ciascun processo.

Perché una qualsiasi cellula possa dividersi è necessario che si verifichino quattro eventi:

1. deve venire generato un segnale riproduttivo che, dall’interno o dall’esterno della cellula, dia inizio alla divisione cellulare;
2. deve essere avvenuta la duplicazione del materiale genetico (il DNA) e di altre componenti cellulari di importanza vitale, in modo che ciascuna delle due nuove cellule sia dotata degli stessi geni e di tutte le funzioni cellulari;
3. la cellula deve distribuire equamente il DNA duplicato fra le due nuove cellule, questo processo prende il nome di segregazione;
4. alla membrana plasmatica (e alla parete cellulare, quando è presente) si deve aggiungere nuovo materiale per far sì che le due cellule si separino mediante un processo chiamato citodieresi.

Perché le nuove cellule originate dalla divisione cellulare siano perfettamente funzionanti è fondamentale che sia la duplicazione del DNA sia la segregazione avvengano con grande precisione. Ricorda a questo proposito che le molecole di DNA costituiscono i cromosomi. Il numero e l’aspetto dei cromosomi varia da specie a specie: in particolare vi sono importanti differenze tra le cellule procariotiche, che in genere contengono un solo cromosoma circolare, e le cellule eucariotiche in cui sono presenti numerosi cromosomi, racchiusi nel nucleo.

A causa di tali differenze, i quattro eventi si susseguono in modo leggermente diverso nei procarioti e negli eucarioti: nei procarioti la divisione cellulare è molto rapida; negli eucarioti, invece, il processo è più complesso.

Nei procarioti la divisione cellulare ha come risultato la riproduzione dell’intero organismo. La cellula cresce di dimensione, duplica il proprio DNA e poi si divide semplicemente in due con un processo che prende il nome di scissione binaria (▶figura 2):

I segnali riproduttivi.

Nei procarioti i segnali per l’inizio della divisione cellulare dipendono da fattori esterni, come le condizioni ambientali o la concentrazione di sostanze nutritive. Per esempio il batterio Escherichia coli, molto usato negli studi genetici, si divide praticamente in continuazione. In genere, a 37 °C la divisione cellulare di E. coli richiede 40 minuti ma, se le fonti di cibo sono abbondanti, il ciclo riproduttivo accelera e le cellule possono dividersi anche in soli 20 minuti. Un altro batterio, Bacillus subtilis, smette di dividersi quando le fonti alimentari sono scarse, per poi riprendere a farlo se le condizioni migliorano.

La duplicazione del DNA.

In genere i batteri possiedono una singola molecola di DNA, legata a proteine, che costituisce un cromosoma circolare. Per trovare posto dentro la cellula, la molecola di DNA deve compattarsi: se fosse distesa, infatti, sarebbe quasi un migliaio di volte più grande dell’intera cellula. La molecola raggiunge questo scopo in parte ripiegandosi su sé stessa, grazie anche a proteine basiche (cariche positivamente) legate al DNA, che invece è acido (carico negativamente).

Nel cromosoma procariotico sono presenti due zone che svolgono una funzione nella riproduzione cellulare: la regione ori (da origine della duplicazione) costituisce il punto in cui inizia la duplicazione; la regione ter (da termine della duplicazione) è il punto in cui termina la duplicazione.

La segregazione del DNA.

Durante la duplicazione del DNA, che avviene nella zona centrale della cellula, le regioni ori delle due molecole di DNA in formazione si spostano verso le estremità opposte della cellula. Fondamentali per la segregazione sono alcune proteine che si legano al DNA contiguo alla regione ori. Si tratta di un processo attivo, in quanto queste proteine idrolizzano ATP per ricavare energia.

La citodieresi.

Dopo che la duplicazione del cromosoma si è conclusa, ha inizio la citodieresi, ovvero la separazione delle due cellule figlie (▶figura 3). Il primo evento della citodieresi è una strozzatura della membrana plasmatica che forma un anello simile al cordone di una borsa. I componenti principali di questo anello sono delle fibre composte da una proteina simile alla tubulina degli eucarioti (la proteina che forma i microtubuli). A mano a mano che l’anello si stringe, nella membrana si genera una strozzatura; contemporaneamente, a livello della parete cellulare si deposita nuovo materiale che finisce per separare le due cellule.

Gli organismi costituiti da cellule eucariotiche possono essere unicellulari e pluricellulari: i protisti sono eucarioti unicellulari (▶figura 4), mentre i funghi, i vegetali e gli animali sono pluricellulari.

Negli eucarioti la divisione cellulare ha come scopo la produzione di cellule che contengano sempre lo stesso patrimonio genetico. Come nei procarioti, tale processo implica la produzione di segnali riproduttivi, la duplicazione del DNA, la segregazione e la citodieresi. I dettagli sono però alquanto diversi, per svariate ragioni:

1. Mentre i procarioti in genere hanno un solo cromosoma circolare, gli eucarioti di solito ne hanno molti (gli esseri umani, per esempio, ne possiedono 46); pertanto, i processi di duplicazione e di segregazione, sebbene siano fondamentalmente uguali a quelli dei procarioti, risultano più complicati. I cromosomi delle cellule eucariotiche, inoltre, sono costituiti ciascuno da una singola molecola di DNA.
2. Le cellule eucariotiche possiedono un nucleo ben definito, che si deve dividere in due nuovi nuclei, ciascuno provvisto di una serie completa di cromosomi. Perciò negli eucarioti la ripartizione del materiale genetico è un evento separato dalla citodieresi, e può avvenire soltanto dopo che il nucleo si è interamente duplicato.
3. A differenza dei procarioti, le cellule eucariotiche non si dividono in continuazione; anzi, una volta che si sono specializzate, si dividono raramente. In un organismo pluricellulare, infatti, i segnali per la divisione cellulare non sono in relazione con l’ambiente di una singola cellula ma con i bisogni dell’intero organismo.