Introduzione alla riproduzione cellulare I procarioti

Premessa La capacità di crescere e riprodursi è un attributo fondamentale delle cellule, quello da cui dipende la sopravvivenza di ogni specie di organismo, unicellulare o pluricellulare. Lo studio della riproduzione cellulare è importante in molti settori della biologia cellulare, tra cui quelli che riguardano lo sviluppo ed il funzionamento degli organismi. L’uomo, per esempio, comincia ad esistere come cellula singola, l’uovo fecondato, e cresce per riproduzione cellulare fino a raggiungere, allo stato adulto, più di cento trilioni di cellule. Ogni 24 ore, per mantenere le funzioni dei vari tessuti, avvengono in un organismo umano adulto circa un trilione di divisioni cellulari, 10 milioni al secondo. Naturalmente non tutte le cellule si riproducono allo stesso modo: si va dalla insostituibilità di quelle muscolari scheletriche e nervose a quelle del sangue e di alcuni epiteli che devono essere riprodotte molto velocemente data la loro breve vita.

Riproduzione delle cellule procariote Una cellula batterica si riproduce aumentando le dimensioni e replicando contemporaneamente il suo cromosoma e, quindi, dividendosi in due cellule, ciascuna delle quali riceve uno dei cromosomi prodotti dalla replicazione. La crescita che avviene tra una divisione e l’altra consiste in un raddoppio in quantità di tutti i componenti cellulari. Una nuova cellula figlia di E. coli, per esempio, comincia una vita indipendente subito dopo la divisione cellulare. Quindi inizia la crescita cellulare dove si riscontra un aumento considerevole del numero dei ribosomi in concomitanza con l’aumento della capacità cellulare di sintesi delle proteine. Il percorso di crescita cellulare, la replicazione dei cromosomi e le altre fasi della divisione cellulare sono coordinati ma poco ancora si sa sulle basi molecolari di questi controlli.

Riproduzione delle cellule procariote Fig.1 Divisione cellulare in E.coli vista al microscopio elettronico. La divisione è quasi ultimata, resta sol un piccolo setto che si sta chiudendo. Nell’ultima immagine ingrandita, è possibile distinguere il materiale genetico sparso e di colore più intenso.

Riproduzione delle cellule procariote La replicazione del DNA inizia quando la cellula ha raggiunto una dimensione limite che risulta essere di gran lunga inferiore a quella che sarà raggiunta al momento della divisione cellulare. La connessione tra crescita cellulare e replicazione del DNA è dimostrata dal fatto che se si blocca la sintesi proteica con un inibitore quale la puromicina, non si ha aumento cellulare e non avviene la replicazione del DNA. Lo stesso avviene se si tolgono alla cellula di E. coli le fonti di azoto o di zucchero sicchè se manca o si abbassa la produzione di ATP per la mancanza di molecole adibite alla produzione di energia, cessa anche la produzione di ribosomi e quindi cessa la crescita cellulare e la replicazione del DNA per la mancanza del raggiungimento della dimensione critica atta alla replicazione.

Riproduzione delle cellule procariote Nei procarioti, la divisione cellulare consiste nella separazione dei due cromosomi figli in due nucleoidi distinti, quindi la migrazione dei due nucleoidi alle due estremità della cellula, seguita da una crescita della membrana plasmatica e della parete cellulare verso l’interno per formare un setto trasversale tra i nucleoidi (Figura 1). Successivamente avviene il distacco sul piano del setto e le due cellule figlie si separano. La velocità di crescita della cellula individuale, e quindi la velocità di riproduzione cellulare, dipende dalle condizioni di alimentazione e dalla temperatura. E. coli può crescere in un terreno costituito solo da una molecola organica semplice come il glucosio da cui trarre carbonio ed energia più vari ioni inorganici. In un terreno nutritivo con glucosio come fonte di carbonio e di energia, una cellula a 37 °C raddoppia di dimensioni e si divide, in media, ogni 40 minuti.

Riproduzione delle cellule procariote In un terreno ricco di aminoacidi, purine, pirimidine ed altre molecole organiche, le cellule crescono più in fretta e il tempo di divisione si riduce a 20 minuti. Questa è una velocità piuttosto alta di proliferazione cellulare. Un singolo batterio, che si riproduca con un tempo di generazione di 20 minuti, produce una popolazione di più di dieci milioni di cellule nell’arco di 8 ore. Man mano che le sostanze nutrienti della coltura vengono consumate, la crescita di ciascuna cellula rallenta e quindi si arresta. A riproduzione cellulare interrotta, il numero di cellule rimane invariato per un po’, quindi le stesse cominciano a morire se non vengono trasferite in un terreno di coltura fresco. Spesso è utile registrare il comportamento proliferativo delle cellule in coltura per mezzo di una curva di crescita, come mostrato in figura 2.

Riproduzione delle cellule procariote Fig.2

Riproduzione delle cellule procariote Si dà inizio alla crescita di una coltura inoculando cellule in un terreno di coltura fresco (tempo 0). Dopo un periodo di adattamento al nuovo terreno della durata di qualche minuto, la proliferazione ha inizio. La fase di adattamento è detta fase di latenza («lag phase»). La seguente proliferazione è di tipo esponenziale pertanto, mettendo in grafico il logaritmo del numero di cellule rispetto al tempo (ordinata e ascissa di fig. 2), si ottiene una linea retta. Il tempo di generazione si leggere dalla pendenza della retta come il tempo necessario alla coltura per raddoppiare. Questo periodo di rapida crescita logaritmica o fase esponenziale, è seguito da un rallentamento della crescita e quindi da una fase stazionaria, in cui il numero di cellule non cambia, infine la coltura entra nella fase di declino, durante la quale le cellule cominciano a morire.