Se tutto il DNA contenuto in una delle tue cellule venisse srotolato raggiungerebbe circa i due metri di lunghezza; il nucleo di una cellula, però, ha un diametro di soli 5 μm (cioè di 0,000 005 m). Tutto questo DNA può essere contenuto in uno spazio così piccolo grazie a un complesso meccanismo di ripiegamenti e avvolgimenti che prende il nome di spiralizzazione (▶figura 6).

La spiralizzazione del DNA è possibile grazie alla presenza di proteine chiamate istoni che interagiscono con il DNA formando un complesso detto nucleosoma. Come puoi vedere nella ▶figura 6, il filamento di DNA associato agli istoni assomiglia a una collana di perle in cui ogni perla è costituita da un singolo nucleosoma; i nucleosomi sono collegati da brevi tratti di DNA chiamati linker, che nella nostra analogia rappresentano il filo tra le perle della collana.

Nella parte alta della figura puoi vedere che la doppia elica ha un diametro di 2 nm e non presenta ripiegamenti. Il primo livello di spiralizzazione corrisponde ai nucleosomi; nel secondo livello di spiralizzazione, la collana di perle si avvolge su sé stessa formando una fibra elicoidale compatta (di circa 30 nm di spessore). Un ulteriore riavvolgimento di questa fibra origina una struttura più spessa con un diametro di circa 300 nm. Altri ripiegamenti compattano ancora di più il DNA, come puoi vedere nella foto in basso che mostra un cromosoma in metafase. Nel suo insieme, la figura spiega come successivi livelli di avvolgimento e ripiegamento consentano al nucleo della cellula di contenere un’enorme quantità di DNA.

Durante la mitosi e la meiosi, la condensazione del DNA raggiunge il livello massimo e diventa possibile osservare i cromosomi. Per tutta la durata della sottofase G₁, infatti, i cromosomi non sono visibili come corpi compatti e distinti perché formano un unico, denso groviglio di filamenti detto cromatina. Subito prima della sottofase S, nel nucleo di una cellula eucariotica è presente un numero preciso di cromosomi; per esempio, tutte le cellule del corpo umano (a eccezione, come vedremo, dei gameti) contengono 46 cromosomi ciascuno dei quali è costituito da una sola molecola di DNA.

Dopo la duplicazione del DNA, che ha luogo durante la sottofase S, ogni cromosoma risulta formato da due molecole di DNA identiche, che prendono il nome di cromatidi fratelli (▶figura 7). I cromatidi fratelli sono costituiti da DNA compattato e avvolto su sé stesso e sono uniti in corrispondenza di una regione centrale chiamata centromero.

Al termine della mitosi, i cromatidi fratelli si separano l’uno dall’altro e si distribuiscono tra le due cellule figlie in modo che ognuna di esse riceva una serie completa e identica di cromosomi. Nella specie umana, per esempio, ogni cellula in divisione possiede 46 cromosomi doppi e ciascuna delle due cellule figlie riceverà 46 cromosomi singoli.

Nella mitosi, un nucleo dà origine a due nuclei figli geneticamente identici fra loro e al nucleo iniziale. Questo processo, come abbiamo visto, assicura un precisa spartizione dei cromosomi della cellula eucariotica fra i due nuclei figli. Perché la spartizione avvenga in modo corretto, durante la mitosi compare una struttura particolare a forma di pallone da rugby, il fuso mitotico (▶figura 8), che ha la funzione di guidare i movimenti dei cromosomi.

Il fuso mitotico è costituito da microtubuli che prendono origine da due centrosomi, speciali organuli detti anche centri di organizzazione dei microtubuli. Durante l’interfase, la cellula contiene un solo centrosoma situato nel citoplasma in prossimità del nucleo. Quando avviene la duplicazione del DNA, anche il centrosoma si duplica: si forma così una coppia di centrosomi. Nelle cellule animali, ogni centrosoma è formato da due centrioli, ciascuno dei quali è un cilindro cavo delimitato da nove microtubuli e disposto ad angolo retto rispetto all’altro cilindro. Come sappiamo, i centrioli sono le strutture dalle quali derivano i corpi basali che stanno alla base dei flagelli eucariotici.

Nel passaggio da G₂ a M, i due centrosomi si separano e si spostano alle estremità opposte dell’involucro nucleare. L’orientamento dei centrosomi determina il piano di divisione della cellula e quindi la relazione spaziale delle due nuove cellule rispetto alla cellula di partenza. Questo può essere un aspetto di poco conto per cellule che vivono isolate, come i lieviti, ma è importante per le cellule che fanno parte di un tessuto corporeo.

Nella zona attorno ai centrioli c’è un’alta concentrazione di dimeri di tubulina che si aggregano dando inizio alla formazione dei microtubuli che successivamente formeranno il fuso mitotico. Nelle cellule vegetali, che non hanno centrosomi, questa stessa funzione è svolta da una struttura analoga posta ai due lati della cellula. Il fuso è necessario per la regolare ripartizione dei cromosomi e serve come ossatura che tiene distanziati i due poli.

Sebbene la mitosi sia una successione continua di eventi, per maggiore chiarezza conviene suddividerla in una serie di stadi (profase, prometafase, metafase, anafase e telofase) che prenderemo in considerazione una a una iniziando dagli ultimi eventi dell’interfase (▶figura 9).

1. Osservando al microscopio ottico un nucleo in interfase si distinguono soltanto l’involucro, i nucleoli e un groviglio confuso di cromatina. Durante la sottofase S dell’interfase, i cromosomi e il centrosoma si duplicano.
2. Quando la cellula entra in profase, ha inizio la mitosi. Il nucleo cambia aspetto e nel citoplasma avvengono alcuni importanti cambiamenti: i cromosomi si spiralizzano e ciascuno di essi appare formato da due cromatidi fratelli, uniti a livello del centromero; nella regione del centromero si sviluppano due speciali strutture, una per ciascun cromatidio, dette cinetocori, importanti per il movimento dei cromosomi; a mano a mano che i microtubuli vengono assemblati a partire dai centrosomi, nel citoplasma inizia a formarsi il fuso mitotico; i centrosomi si allontanano progressivamente l’uno dall’altro e i microtubuli si allungano fino a incontrare quelli provenienti dall’altro polo; la membrana nucleare si frammenta fino a scomparire.
3. La profase è seguita dalla prometafase, caratterizzata dalla completa scomparsa della membrana nucleare. I due cromatidi fratelli di ciascun cromosoma si attaccano per mezzo del proprio cinetocore ai microtubuli delle due metà del fuso. Alla fine della prometafase i cromatidi fratelli iniziano a spostarsi, ma sono ancora uniti a livello del centromero. Le forze esercitate dalle proteine motrici associate ai microtubuli fanno sì che i cromosomi si dirigano verso il centro della cellula.
4. All’inizio della metafase il fuso mitotico è completo e i due centrosomi si trovano alle estremità della cellula. I cromosomi hanno raggiunto il centro della cellula e i centromeri si sono allineati lungo il piano equatoriale formando la piastra metafasica (o piastra equatoriale). La metafase è il momento migliore per osservare la dimensione e la forma dei cromosomi, perché ora sono compatti e spiralizzati al massimo. I cromatidi sono ormai chiaramente ancorati a uno dei due poli della cellula attraverso i microtubuli agganciati al cinetocore di ciascun cromatidio.
5. Durante l’anafase i centromeri di ciascun cromosoma si staccano, separando i due cromatidi fratelli che si spostano alle estremità opposte del fuso mitotico. Grazie alle proteine motrici che utilizzano l’energia dell’ATP, i cinetocori avanzano lungo i microtubuli, trascinando con sé i cromosomi. Durante il percorso, i microtubuli attaccati al cinetocore si accorciano, mentre quelli non attaccati a un cromosoma si allungano; in questo modo i centrosomi si allontanano e la cellula assume una forma allungata. Da questo momento ciascun cromatidio viene considerato un cromosoma indipendente e prende il nome di cromosoma figlio. L’anafase termina quando le due serie di cromosomi hanno raggiunto i due poli della cellula.
6. Nella telofase il fuso mitotico si dissolve e i cromosomi si despiralizzano fino a diventare nuovamente il groviglio diffuso di cromatina tipico dell’interfase. Gli involucri nucleari e i nucleoli, che si erano disgregati durante la profase, si riaggregano e assumono di nuovo la propria struttura. Una volta completati questi cambiamenti, la telofase, e con essa la mitosi, giunge al termine e ciascuno dei nuclei figli entra in interfase.

La mitosi è un processo straordinariamente preciso: il risultato consiste in due nuclei identici fra loro e al nucleo che li ha generati quanto a corredo cromosomico e quindi a costituzione genetica. In seguito i due nuclei si dovranno separare in due cellule distinte, il che richiede la divisione del citoplasma (citodieresi).

Con la parola «mitosi» si intende la sola divisione del nucleo; la successiva divisione del citoplasma cellulare si realizza attraverso la citodieresi. Questo processo può compiersi con modalità diverse a seconda del tipo di organismo; fondamentale è la differenza fra cellule vegetali e cellule animali.

Le cellule animali normalmente si dividono per invaginazione della membrana plasmatica, come se un filo invisibile strozzasse il citoplasma fra i due poli (▶figura 10A). Il «filo invisibile» in realtà è costituito da filamenti di actina e di miosina (due proteine presenti nel tessuto muscolare) che formano il cosiddetto anello contrattile subito al di sotto della membrana plasmatica. L’interazione fra queste due proteine produce una contrazione, come avviene nei muscoli, che strozza la cellula a metà. Questi filamenti si formano rapidamente da monomeri di actina presenti nel citoscheletro interfasico, il cui montaggio pare essere sotto il controllo degli ioni calcio liberati da siti di stoccaggio situati al centro della cellula.

A causa della presenza di una parete cellulare, il citoplasma della cellula vegetale si divide in modo diverso. Nelle cellule vegetali, quando al termine della mitosi il fuso si disgrega, lungo la piastra equatoriale, circa a metà strada fra i due nuclei figli, compaiono alcune vescicole membranose prodotte dall’apparato di Golgi. Spinte lungo i microtubuli da una proteina motrice, queste vescicole si fondono e formano una nuova membrana plasmatica, mentre il loro contenuto contribuisce alla formazione di una piastra cellulare che costituisce l’inizio di una nuova parete cellulare (▶figura 10B).

A seguito della citodieresi, entrambe le cellule figlie contengono tutte le componenti di una cellula completa. Mentre la ripartizione esatta dei cromosomi è assicurata dalla mitosi, organuli come i ribosomi e i cloroplasti non devono per forza distribuirsi equamente fra le due cellule figlie: è sufficiente che ciascuna cellula ne contenga almeno qualcuno. Di conseguenza, la loro ripartizione fra le cellule figlie non è affidata ad alcun meccanismo dotato di una precisione paragonabile a quella della mitosi.

Come abbiamo già detto, gli organismi eucarioti possono riprodursi per via sessuata o asessuata. La riproduzione asessuata, detta anche riproduzione vegetativa, si basa sulla divisione mitotica del nucleo. Una cellula in procinto di dividersi per mitosi può essere un intero organismo unicellulare che a ogni ciclo cellulare riproduce sé stesso, oppure può appartenere a un organismo pluricellulare da cui si stacca un pezzo che darà origine a un nuovo individuo.

Alcuni organismi pluricellulari si possono riprodurre liberando cellule risultanti da mitosi e citodieresi; in altri invece si possono distaccare interi pezzi composti da più cellule, che poi crescono per proprio conto (▶figura 11). Nella riproduzione asessuata, la prole è costituita da un clone dell’organismo di partenza: tutti i figli infatti sono geneticamente identici al genitore. Eventuali differenze nella prole possono derivare da mutazioni, o cambiamenti, nel materiale genetico.

La mitosi è un meccanismo estremamente preciso che permette di ottenere cellule sempre uguali tra loro e alle cellule di partenza dal punto di vista cromosomico. Essa si realizza in modo simile in tutte le cellule eucariotiche, sia in quelle degli unicellulari che la utilizzano per la riproduzione asessuata, sia in quelle degli organismi pluricellulari. La divisione cellulare si verifica anche nell’organismo adulto per sostituire le cellule morte o danneggiate.

La riproduzione asessuata è un sistema efficace e molto diffuso in natura per moltiplicare rapidamente il numero di individui. Ma esiste anche un altro meccanismo di divisione della cellula eucariotica, chiamato meiosi, che invece genera diversità genetica. Tale meccanismo è strettamente legato ai processi di riproduzione sessuata: ogni nuovo individuo si sviluppa a partire da una singola cellula (detta zigote), che si forma in seguito alla fecondazione, cioè l’unione di due cellule sessuali (gameti) prodotte dai genitori.

La meiosi implica due successive divisioni del nucleo precedute da un solo evento di duplicazione del materiale genetico; il risultato è la formazione di quattro cellule figlie che presentano un numero di cromosomi dimezzato (aploidi) rispetto alla cellula madre (diploide). Inoltre, mentre i prodotti della mitosi sono geneticamente identici fra loro e alla cellula che li ha generati, la meiosi genera diversità in quanto produce nuove combinazioni geniche, mescolando il materiale genetico come fosse un mazzo di carte.