Il ciclo cellulare è un processo in cui una cellula cresce e si divide per creare una copia di se stessa. Alcuni organismi si riproducono esclusivamente attraverso questo processo, mentre nella vita multicellulare complessa, consente a un organismo di crescere e di sostituire le cellule man mano che si consumano. Negli animali, il ciclo richiede circa 24 ore dall’inizio alla fine per la maggior parte dei tipi di cellule, anche se alcune, come quelle della pelle, attraversano costantemente questo ciclo, mentre altre possono dividersi raramente, se non del tutto. I neuroni, per esempio, non crescono e non si dividono una volta maturi.
Gli organismi possono essere suddivisi in due tipi, ciascuno con il proprio ciclo cellulare. Nei procarioti, l’informazione genetica dell’organismo consiste in un singolo filamento di DNA, noto come cromosoma, che non è contenuto in nessuna struttura speciale. I batteri sono esempi di procarioti, insieme ad alcuni altri organismi unicellulari. Gli eucarioti sono costituiti da tutti gli organismi multicellulari, come piante e animali, insieme ad alcuni tipi di forme di vita unicellulari. Differiscono dai procarioti principalmente in quanto hanno un nucleo, una struttura autonoma che contiene il materiale genetico sotto forma di cromosomi costituiti da DNA.
Procarioti
La riproduzione nei procarioti è nota come fissione binaria. In questo processo, il DNA, che fluttua liberamente all’interno della cellula, si replica. I due nuovi filamenti di DNA migrano quindi alle estremità opposte della cellula, che si divide in due copie identiche, ciascuna con il proprio DNA; questa fase di divisione è nota come citochinesi. Le nuove cellule poi cresceranno fino a raggiungere una certa dimensione, poi, se le condizioni sono favorevoli, si divideranno nuovamente, iniziando un nuovo ciclo. Per questi organismi primitivi, il processo è solitamente molto veloce: in condizioni ideali, alcuni batteri si dividono ogni 20 minuti, portando a una moltiplicazione molto rapida.
Eucarioti
Le cellule eucariotiche sono più complesse di quelle dei procarioti, rendendo la divisione più complicata. Oltre a un nucleo, hanno una serie di altre strutture, note come organelli, che hanno funzioni specifiche e che devono essere duplicate durante la divisione. Il ciclo eucariotico ha un numero di fasi distinte, le due principali sono l’interfase e la mitosi.
Durante l’interfase, che è di gran lunga la fase più lunga, che rappresenta la maggior parte del ciclo di 24 ore tipico della maggior parte delle cellule animali, la cellula sta normalmente crescendo e aumentando di dimensioni. I processi coinvolti nella divisione richiedono energia e l’interfase ha due periodi durante i quali si accumulano riserve del composto adenosina trifosfato (ATP) che immagazzina energia e avviene la crescita, separate da un periodo di duplicazione del DNA nel nucleo. Il primo periodo di crescita è noto come Gap 1 (G1) e si verifica nelle nuove cellule dopo la divisione. Segue la fase di sintesi (S), durante la quale vengono sintetizzati nuovi filamenti di DNA identici agli originali. Inizia quindi lo stadio Gap 2 (G2), prima della mitosi.
Contrariamente alla fase precedente, la mitosi è relativamente breve e richiede tipicamente solo un’ora. Questo è il processo mediante il quale le due serie identiche di DNA sono fisicamente separate l’una dall’altra, formando due serie di cromosomi, che vengono quindi attirati alle diverse estremità della cellula per formare nuclei separati. Durante questa fase si dividono anche gli organelli, come i mitocondri negli animali e i cloroplasti nelle piante. Queste strutture hanno il proprio DNA, che si replica allo stesso modo dei procarioti, portando alcuni scienziati a credere che un tempo potrebbero essere stati organismi procarioti indipendenti incorporati nelle cellule eucariotiche in un lontano passato.
La fase finale è la citochinesi. Questo è quando avviene effettivamente la divisione in due unità distinte. Negli animali, le pareti cellulari opposte sono attratte l’una verso l’altra intorno al punto medio finché non si incontrano, formando due unità che si separano l’una dall’altra. Nelle piante, viene costruita una nuova parete cellulare nel punto di divisione, separando le due nuove cellule.
Regolamentazione ed errori
Ogni parte del ciclo è regolata da proteine che dicono alla cellula cosa fare. Queste proteine sono utilizzate anche durante l’interfase per confermare che le condizioni sono appropriate per la divisione. Se non sono presenti abbastanza nutrienti o vengono identificati altri problemi, queste proteine segnaleranno alla cellula di rimanere dormiente e attendere che le condizioni migliorino, piuttosto come una guardia che attraversa la divisione.
Gli errori possono verificarsi e si verificano durante il processo. A volte le informazioni non vengono copiate esattamente durante l’interfase e vengono creati errori nel genoma. Questi errori possono rivelarsi fatali per la cellula o possono essere innocui. Possono anche provocare il cancro, dove un errore provoca replicazione ripetuta e divisione incontrollata, senza controlli, formando un tumore.
Fortunatamente, ci sono proteine che possono fermare il processo se ci sono errori nella replicazione del DNA. In alcuni casi, il processo di divisione verrà sospeso per consentire la riparazione del DNA, dopodiché potrebbe riprendere. In altri, dove il DNA è gravemente danneggiato, queste proteine possono causare la morte della cellula, al fine di prevenire un’ulteriore replicazione del DNA difettoso. Il cancro è spesso il risultato di modifiche al DNA che impediscono il corretto funzionamento di queste proteine, in modo che le cellule con DNA danneggiato possano riprodursi.