La mitosi e la meiosi sono due modi di divisione cellulare. La mitosi produce due cellule con lo stesso corredo cromosomico della cellula madre: grazie ad essa l'organismo cresce e ripara i tessuti. La meiosi consiste in due divisioni consecutive, dopo le quali si ottengono quattro cellule con un corredo dimezzato: così si formano le cellule sessuali. In questa pagina: le fasi della mitosi e della meiosi in ordine, il numero di cromosomi e DNA in ogni fase, il crossing-over e la coniugazione, una tabella delle differenze tra mitosi e meiosi e un simulatore per l'autoverifica.
Ciclo vitale della cellula e interfase
La cellula non si divide continuamente. Il suo ciclo vitale è il tempo dalla comparsa della cellula fino alla sua divisione, ed è composto da due parti ineguali: una lunga interfase (preparazione) e una breve divisione.
L'interfase è divisa in tre periodi:
- G1, presintetica — la cellula cresce, sintetizza proteine, aumenta il volume del citoplasma e degli organelli;
- S, sintetica — avviene la riduplicazione del DNA: ogni cromosoma costruisce la sua seconda cromatide;
- G2, post-sintetica — la cellula immagazzina energia, raddoppia i centrosomi, prepara le proteine del fuso mitotico.
Ricorda il punto chiave: il raddoppio del DNA avviene durante l'interfase, prima ancora dell'inizio della divisione. Sia la mitosi che la meiosi iniziano già con materiale duplicato — con un corredo 2n4c. L'interfase stessa non è considerata né una fase della mitosi né una fase della meiosi.
Durante l'interfase, i cromosomi non sono visibili nemmeno al microscopio: sono srotolati e si trovano nel nucleo sotto forma di cromatina. La struttura del nucleo, dei cromosomi e del centrosoma, da cui si sviluppano i filamenti del fuso, è spiegata in dettaglio nel materiale sulla struttura della cellula vegetale e animale.
Cosa significa 2n2c: come contare cromosomi e DNA
Nelle notazioni come 2n4c, la lettera n indica il numero di cromosomi e la lettera c la quantità di DNA (più precisamente, il numero di cromatidi). Il corredo aploide è n, il diploide è 2n. La notazione 2n2c si legge: "corredo cromosomico diploide, ogni cromosoma formato da una cromatide", mentre 2n4c significa "corredo diploide, ogni cromosoma formato da due cromatidi".
L'errore più comune è contare i cromosomi contando le cromatidi. Dopo il raddoppio, un cromosoma appare come due bastoncini, ma è un solo cromosoma: entrambe le cromatidi sono tenute insieme da un centromero. Il numero di cromosomi è uguale al numero di centromeri.
L'uomo ha 2n = 46. Quindi, nel periodo G1, la cellula ha 46 cromosomi e 46 molecole di DNA (2n2c). Dopo il periodo S, i cromosomi sono ancora 46, ma le molecole di DNA sono 92 (2n4c). Solo nell'anafase della mitosi, quando i centromeri si separano, i cromosomi diventano 92 — 46 per ciascun polo.
Fasi della mitosi: profase, prometafase, metafase, anafase, telofase
Le quattro fasi della mitosi spiegate passo dopo passo, con il numero di cromosomi e DNA in ciascuna, sono nello schema qui sotto. Qui analizzeremo tre domande che spesso creano confusione.
Perché nell'anafase improvvisamente si ha 4n4c. Finché la cellula è intera, ha il doppio dei cromosomi che avrà ciascuna cellula figlia: i centromeri si sono separati e ogni cromatide è diventata un cromosoma indipendente. Il corredo si conta sia per l'intera cellula (4n4c) sia per polo (2n2c) — nei problemi, guarda sempre cosa viene chiesto.
Perché i cromosomi si contano in metafase. È qui che sono massimamente spiralizzati e allineati in un'unica fila — sono visibili e si possono contare. Per questo il cariotipo si studia dalle piastre metafasiche.
Come finisce la divisione. La separazione del citoplasma è chiamata citochinesi, e nella cellula vegetale avviene diversamente che in quella animale: la parete si forma dall'interno, dal centro verso i bordi, perché la rigida parete cellulare impedisce alla cellula di stringersi a metà.
Meiosi I: coniugazione, crossing-over e separazione degli omologhi
La meiosi consiste in due divisioni consecutive dopo un unico raddoppio del DNA. La prima divisione è detta riduzionale: è in essa che il numero di cromosomi si dimezza. L'ordine delle fasi e i corredi sono nello schema qui sotto.
Perché il corredo si dimezza proprio qui. Le cromatidi nell'anafase I non si separano — si separano interi cromosomi, quindi al polo arriva un corredo aploide di cromosomi bicromatidici: n2c, non nc. Diventeranno monocromatidici solo dopo la seconda divisione.
A cosa servono coniugazione e crossing-over. Una coppia di omologhi che si avvicina (bivalente) è formata da due cromosomi e quattro cromatidi. Lo scambio di segmenti tra cromatidi non sorelle mescola i geni materni e paterni all'interno dello stesso cromosoma — da qui deriva la variabilità ereditaria.
La casualità che decide molto. Ogni coppia di omologhi si orienta verso i poli indipendentemente dalle altre. Nell'uomo, questo genera 2²³ ≈ 8,4 milioni di varianti di corredo ancora prima di qualsiasi crossing-over.
Tra le divisioni avviene un breve intercinesi — e in essa non c'è periodo sintetico: il DNA non si raddoppia una seconda volta.
Meiosi II: separazione delle cromatidi
La seconda divisione meiotica è detta equazionale — avviene secondo le regole della mitosi, ma in una cellula aploide. Le fasi con i corredi sono nello schema qui sotto.
Cosa è importante capire qui. All'equatore si allineano singoli cromosomi, non bivalenti: gli omologhi non hanno con chi fare coniugazione, si sono separati nella divisione precedente. I centromeri questa volta si dividono — si separano le cromatidi sorelle.
Perché tutte e quattro le cellule sono diverse. Prima il crossing-over ha scambiato segmenti tra cromatidi non sorelle di due omologhi, e poi gli omologhi stessi si sono distribuiti nelle cellule in combinazioni casuali. Per questo la meiosi non produce copie, ma ogni volta un nuovo corredo genico — su questo si basa la diversità della prole.
Numero di cromosomi e DNA per fase della mitosi e della meiosi
I problemi "quanti cromosomi e molecole di DNA in una certa fase" si risolvono meccanicamente, tenendo a mente solo due regole: la quantità di DNA aumenta solo nel periodo S, mentre il numero di cromosomi cambia solo dove si separano le cromatidi. Di seguito, il corredo per ogni fase.
| Fase | Cromosomi e DNA |
|---|---|
| Interfase | |
| Periodo presintetico (G1) | 2n2ccromosomi monocromatidici |
| Periodo sintetico (S) | 2n4cDNA raddoppiato |
| Periodo post-sintetico (G2) | 2n4cpreparazione alla divisione |
| Mitosi | |
| Profase | 2n4c |
| Metafase | 2n4ccromosomi all'equatore |
| Anafase | 4n4ccromatidi separate, 2n2c per polo |
| Telofase | 2n2cin ciascuna delle due cellule |
| Meiosi I | |
| Profase I | 2n4cconiugazione e crossing-over |
| Metafase I | 2n4cbivalenti all'equatore |
| Anafase I | 2n4comologhi separati, n2c per polo |
| Telofase I | n2cin ciascuna delle due cellule |
| Meiosi II | |
| Profase II | n2c |
| Metafase II | n2ccromosomi singoli all'equatore |
| Anafase II | 2n2ccromatidi separate, nc per polo |
| Telofase II | ncin ciascuna delle quattro cellule |
Differenze tra mitosi e meiosi: tabella comparativa
Le due divisioni hanno molto in comune: entrambe avvengono dopo il raddoppio del DNA nell'interfase, entrambe hanno nomi di fasi simili, entrambe usano il fuso mitotico e terminano con la divisione del citoplasma. Pertanto, è utile iniziare elencando le somiglianze e poi le differenze secondo i punti della tabella.
| Criterio | Mitosi | Meiosi |
|---|---|---|
| Numero di divisioni | Mitosi: una | Meiosi: due consecutive — meiosi I e meiosi II |
| Numero di cellule prodotte | Mitosi: due | Meiosi: quattro |
| Corredo delle cellule figlie | Mitosi: 2n — come la cellula madre | Meiosi: n — dimezzato, aploide |
| Coniugazione e crossing-over | Mitosi: no | Meiosi: sì, in profase I |
| Cosa si allinea all'equatore in metafase | Mitosi: singoli cromosomi in un'unica fila | Meiosi: in metafase I — bivalenti su due file, in metafase II — singoli cromosomi |
| Cosa si separa in anafase | Mitosi: cromatidi sorelle | Meiosi: in anafase I — interi cromosomi omologhi, in anafase II — cromatidi |
| Profase | Mitosi: breve e semplice | Meiosi: profase I lunga e complessa |
| Risultato genetico | Mitosi: cellule con lo stesso corredo genico della madre | Meiosi: cellule con nuove combinazioni geniche, tutte diverse |
| Dove avviene | Mitosi: nelle cellule somatiche: crescita, rinnovamento e riparazione dei tessuti, riproduzione asessuata | Meiosi: durante la formazione delle cellule sessuali negli animali e delle spore nelle piante |
Significato biologico della mitosi e della meiosi
Significato della mitosi — nella precisione. Le cellule figlie ricevono esattamente lo stesso corredo di cromosomi e geni della cellula madre, quindi la mitosi garantisce:
- crescita dell'organismo e aumento del numero di cellule;
- rinnovamento dei tessuti e guarigione delle lesioni (rigenerazione);
- segmentazione dello zigote dopo la fecondazione;
- riproduzione asessuata e vegetativa — dalla divisione di un'ameba alla riproduzione di una pianta per talea.
Significato della meiosi — in due cose contemporaneamente.
Primo: costanza del numero di cromosomi della specie. Se le cellule sessuali fossero diploidi, ad ogni fecondazione il numero di cromosomi si raddoppierebbe. La meiosi dimezza il corredo, e alla fusione dei gameti (n + n) lo zigote riacquista il corredo diploide 2n.
Secondo: variabilità combinatoria. Nuove combinazioni di geni sorgono tre volte: durante il crossing-over in profase I, durante la separazione casuale e indipendente degli omologhi in anafase I e durante l'incontro casuale dei gameti durante la fecondazione. Solo grazie alla separazione indipendente, un essere umano può produrre 2 elevato alla 23 — più di otto milioni — di gameti con corredi cromosomici diversi. È proprio questa diversità a fornire materiale per la selezione naturale.
Negli animali, la meiosi avviene durante la formazione delle cellule sessuali nelle gonadi, nelle piante — durante la formazione delle spore.
Spiegazione dei problemi
Esempio 1. Numero di cromosomi e DNA nelle diverse fasi della mitosi
Problema: il moscerino della frutta ha 2n = 8. Determina il numero di cromosomi e molecole di DNA in profase, anafase e telofase mitotica.
Passo 1. Punto di partenza. Prima della divisione, nel periodo G1, il corredo è 2n2c: 8 cromosomi e 8 molecole di DNA. Nel periodo S, il DNA si è raddoppiato, diventando 2n4c — i cromosomi sono ancora 8, ma le molecole di DNA sono 16.
Passo 2. Profase. Non si separa nulla, il corredo è lo stesso: 8 cromosomi, 16 molecole di DNA (2n4c).
Passo 3. Anafase. I centromeri si sono separati, ogni cromatide è diventata un cromosoma indipendente: i cromosomi sono diventati 16, le molecole di DNA anche 16 (4n4c). Ciascun polo riceve però 8 cromosomi.
Passo 4. Telofase. Il citoplasma si divide, e in ciascuna delle due cellule giovani si trova 8 cromosomi e 8 molecole di DNA (2n2c).
Verifica logica: il numero di molecole di DNA non è mai aumentato durante la mitosi stessa — si è solo diviso a metà tra le cellule.
Esempio 2. Corredo nelle fasi della meiosi
Problema: il mais ha 2n = 20. Quanti cromosomi e molecole di DNA ci sono nella cellula alla fine della telofase I e alla fine dell'intera meiosi?
Passo 1. Prima della meiosi, il DNA si è raddoppiato: 20 cromosomi e 40 molecole di DNA (2n4c).
Passo 2. Anafase I. Verso i poli si separano interi omologhi, i centromeri non si dividono. Ogni polo raccoglie 10 cromosomi, ognuno con due cromatidi.
Passo 3. Fine telofase I. In ciascuna delle due cellule ci sono 10 cromosomi e 20 molecole di DNA (n2c).
Passo 4. Meiosi II. Non c'è stato raddoppio del DNA, quindi nell'anafase II si separano semplicemente le cromatidi. Alla fine della meiosi si ottengono quattro cellule, ognuna con 10 cromosomi e 10 molecole di DNA (nc).
Risposta: dopo la prima divisione, 10 cromosomi e 20 molecole di DNA; dopo la seconda, 10 cromosomi e 10 molecole di DNA.
Esempio 3. Identificare la divisione dalla descrizione
Problema: "Nella cellula si vedono 12 strutture, ognuna composta da quattro cromatidi. Si sono allineate all'equatore su due file". Di che divisione e fase si tratta? Qual è il corredo iniziale della cellula?
Passo 1. Una struttura composta da quattro cromatidi è un bivalente, cioè una coppia di cromosomi omologhi che si sono avvicinati. I bivalenti si formano solo nella meiosi: la coniugazione è avvenuta in profase I.
Passo 2. I bivalenti sono allineati all'equatore su due file — quindi la fase è metafase I.
Passo 3. Un bivalente corrisponde a due cromosomi. Ci sono 12 bivalenti, quindi i cromosomi sono 24, e il corredo iniziale della cellula è 2n = 24. Le molecole di DNA in questa fase sono 48 (2n4c).
Risposta: metafase meiotica I, 2n = 24, corredo della cellula 2n4c.
Come non sbagliare: se all'equatore fossero allineati singoli cromosomi bicromatidici in un'unica fila, si tratterebbe di metafase mitotica (con 2n) o metafase II (con corredo aploide).
Errori comuni
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Si pensa che il DNA si raddoppi in profase, poco prima della divisione.
Il raddoppio (riduplicazione) del DNA avviene nel periodo S dell'interfase, molto prima della profase. Sia la mitosi che la meiosi iniziano già con corredo 2n4c.
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Si contano i cromosomi contando le cromatidi: si vedono 46 cromosomi bicromatidici e si scrive "92 cromosomi".
Il numero di cromosomi è uguale al numero di centromeri. Finché le cromatidi sono unite da un unico centromero, si tratta di un solo cromosoma: 46 cromosomi e 92 molecole di DNA. I cromosomi diventeranno 92 solo in anafase, quando i centromeri si separeranno.
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Si scrive che nell'anafase mitotica si separano cromosomi omologhi.
Nell'anafase mitotica si separano le cromatidi sorelle dello stesso cromosoma. I cromosomi omologhi si separano solo una volta durante l'intera divisione — nell'anafase I della meiosi.
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Si pensa che prima della seconda divisione meiotica il DNA si raddoppi ancora.
Nell'intercinesi non c'è periodo sintetico. Un solo raddoppio del DNA — due divisioni: ecco perché il corredo alla fine si dimezza.
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Si attribuisce il crossing-over alla mitosi o alla metafase I.
Il crossing-over avviene in profase I meiotica, quando gli omologhi sono uniti in un bivalente (coniugazione). Nella mitosi, gli omologhi non fanno coniugazione, quindi il crossing-over non avviene.
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Si scrive che la meiosi produce quattro cellule identiche, e che il numero di cromosomi si dimezza in ciascuna delle due divisioni.
Il corredo si dimezza solo nella prima divisione — che infatti è detta riduzionale. La seconda divisione non riduce il numero di cromosomi nella cellula, ma separa le cromatidi. Le quattro cellule risultanti sono geneticamente diverse: il crossing-over e la separazione casuale degli omologhi conferiscono loro diverse combinazioni geniche.
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Si considera l'interfase la prima fase della mitosi.
L'interfase è parte del ciclo vitale della cellula, non una fase della divisione. Le fasi della mitosi sono quattro: profase, metafase, anafase e telofase. Ma i problemi sul conteggio dei cromosomi non si possono risolvere senza l'interfase: è proprio nel suo periodo S che il corredo diventa 2n4c.
Domande e risposte
In cosa si differenzia la mitosi dalla meiosi, in breve?
La mitosi è una divisione singola, da una cellula si ottengono due cellule con lo stesso corredo 2n e lo stesso set di geni. La meiosi sono due divisioni consecutive dopo un raddoppio del DNA, si ottengono quattro cellule con corredo aploide n, e sono tutte diverse per combinazione genica. Inoltre, solo nella meiosi ci sono coniugazione e crossing-over, e nell'anafase I si separano interi cromosomi omologhi, non cromatidi.
Quante cellule si formano con la mitosi e con la meiosi?
Con la mitosi — due cellule con corredo 2n2c. Con la meiosi — quattro cellule con corredo nc. Da qui la differenza di scopo: la mitosi aumenta il numero di cellule identiche, la meiosi prepara le cellule sessuali.
In quale fase avviene il crossing-over?
In profase della prima divisione meiotica. Il crossing-over è lo scambio di segmenti identici tra cromatidi non sorelle di cromosomi omologhi. È possibile solo quando gli omologhi sono uniti in un bivalente, cioè dopo la coniugazione.
Cos'è la coniugazione cromosomica e il bivalente?
La coniugazione è l'avvicinamento dei cromosomi omologhi a coppie per tutta la loro lunghezza in profase I meiotica. La coppia risultante è chiamata bivalente: contiene due cromosomi e quattro cromatidi (per questo a volte viene chiamato tétrade). In metafase I, sono proprio i bivalenti a disporsi all'equatore, non i singoli cromosomi.
Perché nell'anafase mitotica il corredo si scrive come 4n4c?
Perché i centromeri si sono separati, e ogni ex-cromatide è diventata un cromosoma indipendente. Le molecole di DNA sono rimaste le stesse (4c), ma i cromosomi sono temporaneamente raddoppiati — 4n. Appena il citoplasma si divide, in ciascuna delle due cellule si troverà il normale corredo 2n2c.
Dove avviene la mitosi e dove la meiosi nell'organismo?
La mitosi avviene nelle cellule somatiche: nelle zone di crescita, nella pelle, nella mucosa intestinale, nel midollo osseo, durante la guarigione delle ferite. La meiosi negli animali avviene nelle gonadi durante la formazione delle cellule sessuali, e nelle piante — durante la formazione delle spore.
L'interfase fa parte della mitosi?
No. L'interfase è la preparazione alla divisione e parte del ciclo vitale della cellula. La mitosi ha quattro fasi: profase, metafase, anafase e telofase. Ma i problemi sul conteggio dei cromosomi non si possono risolvere senza l'interfase: è proprio nel suo periodo S che il corredo diventa 2n4c.
