Definizione
La prima metafase della meiosi I comprende l’allineamento dei cromosomi appaiati lungo il centro (piastra di metafase) di una cellula, assicurando che due copie complete di cromosomi siano presenti nelle due cellule figlie risultanti della meiosi I. La metafase I segue la profase I e precede l’anafase I.
Metafase I spiegata
Nella meiosi I, la fase di allineamento della metafase I è relativamente rapida. Le tetradi o i bivalenti (una coppia di cromosomi con quattro cromatidi (2 originali, 2 copie) sono allineati in quella che è conosciuta come la piastra della metafase (o equatoriale). Questa piastra in realtà non esiste, ma è una linea centrale immaginaria lungo la quale i cromosomi sono posizionati.
Il singolo cromosoma di ogni coppia rimane vicino al suo partner e si allinea uno sull’altro. Questo porterà alla fine un cromosoma a migrare verso un polo, l’altro verso il polo opposto. Inoltre non importa in quale direzione questi cromosomi sono orientati orizzontalmente lungo questa linea immaginaria. Il DNA di entrambi i genitori può essere rivolto verso entrambi i lati della cellula. Questo aumenta la variazione dei geni, poiché dove una cellula figlia potrebbe contenere il 40% dei cromosomi del padre e il 60% di quelli della madre, l’altra avrà rispettivamente il 60% e il 40% di ciascun genitore. Questo spiegherebbe, per esempio, che il primo figlio ha gli occhi del padre e il naso della madre, e il secondo ha gli occhi della madre e il naso del padre. A causa della ricombinazione nella profase, entrambi i bambini non saranno esattamente uguali a entrambi i genitori, ma solo simili.
Nell’immagine sottostante di una cellula di cipolla (in metafase I), le coppie di cromosomi colorati di viola scuro sono tutti posizionati centralmente lungo la piastra di metafase.
Nella metafase I, i due cromosomi di una coppia omologa sono rivolti verso poli opposti. Poiché la ricombinazione ha avuto luogo, ciascuno dei quattro cromatidi (e, naturalmente, entrambe le coppie omologhe) hanno materiale genetico leggermente diverso. Ulteriori passaggi porteranno una delle coppie omologhe a un’estremità della cellula e l’altra all’estremità opposta. Questo significa che le due cellule risultanti (prodotte durante la citocinesi alla fine della meiosi I) conterranno serie complete di cromosomi, ma queste non saranno costituite da coppie di cromosomi.
La confusione che circonda cromosomi e cromatidi
Questa assegnazione dei cromosomi è particolarmente importante da capire ma spesso porta a molta confusione. Vale la pena guardare questo argomento da una nuova prospettiva, facendo qualche passo indietro nel processo.
Il cariotipo umano è composto da 22 coppie di cromosomi e una coppia di cromosomi sessuali (XX o XY). Un totale di 23 coppie di cromosomi. Ogni cellula non gamete contiene questa serie di 23 coppie all’interno del suo nucleo, ad eccezione dei globuli rossi maturi o delle vecchie cellule cornificate. I due cromosomi che compongono una coppia omologa provengono dai genitori di un organismo – uno dal padre e uno dalla madre. Nel cariotipo sottostante di un uomo, queste coppie sono molto distinte. Si noti la presenza di 23 coppie, per un totale di 46 cromosomi.
In questa immagine, non si vede la forma a X. Ogni cromosoma è un singolo filamento. Ogni singolo filamento è un cromatide con un centromero (non visibile). Questo perché la forma a X esiste solo dopo che la replicazione del DNA avviene durante la fase S dell’interfase che precede sia la mitosi che la meiosi.
La grande confusione che molti studenti incontrano quando studiano la meiosi è l’idea tradizionale che i cromosomi siano a forma di X. Tuttavia, questo è solo il caso dopo che ogni cromatide è stato replicato per creare due cromatidi fratelli uniti insieme al centromero. Prima della replicazione, un insieme umano di 23 coppie di cromosomi (ogni coppia consiste in un cromosoma del padre e uno della madre) ha 46 cromosomi, come possiamo contare nell’immagine qui sopra. Ognuno di questi 46 cromosomi consiste in un singolo cromatide. Il cariotipo umano prima della replicazione, quindi, ha 46 cromosomi (23 coppie) e 46 cromatidi.
Dopo lo stadio S dell’interfase, i cromatidi vengono replicati e le copie rimangono attaccate alla ‘sorella’ tramite il centromero. Il conteggio finale è ancora di 23 coppie di cromosomi, ma ogni cromosoma ora consiste di due cromatidi fratelli. Questo cromatide extra fornisce la forma a X del cromosoma come siamo abituati a vederlo. Ci sono ancora 46 cromosomi (23 coppie), ma ora ci sono 92 cromatidi. Poiché la combinazione di due cromosomi (una coppia) contenente 4 cromatidi (due originali, due replicati) è anche conosciuta come una tetrade o un bivalente, possiamo anche dire che una tetrade ha due cromosomi e quattro cromatidi. Tetrás in greco significa quattro, mentre bi si riferisce a due.
Tutto questo diventa molto più chiaro quando pensiamo allo scopo della meiosi e alla successiva fecondazione di un uovo da parte di uno spermatozoo. La meiosi è un processo in due fasi (con molte sottofasi) che prima divide una singola cellula in due cellule, ciascuna con un set completo ma leggermente diverso di DNA contenuto in coppie di cromosomi. Questo è il motivo per cui il DNA deve essere replicato in anticipo. In caso contrario, non sarebbe possibile fornire un set completo di coppie di cromosomi alle due cellule figlie. Il risultato finale sono due cellule figlie, ciascuna contenente 46 cromosomi (23 coppie) e 46 cromatidi.
Queste due cellule si dividono poi una seconda volta sotto la meiosi II, creando quattro cellule figlie che contengono ciascuna un set completo di DNA che non è presentato in coppie di cromosomi, ma come un singolo cromosoma. Ogni cellula ora contiene 23 cromosomi e 23 cromatidi. Queste cellule sono prodotte come sperma nei maschi e uova nelle femmine. Alla fecondazione, i singoli cromosomi di ciascun sesso si combinano, creando ancora una volta una coppia cromosomica completa.
Allineamento dei cromosomi lungo la piastra di metafase
La linea immaginaria attraverso il centro di una cellula chiamata piastra di metafase richiede l’apparato del fuso per allineare le coppie di cromosomi corrispondenti lungo la sua lunghezza.
I centrioli, strutture proteiche che inviano fibre note come microtubuli, si posizionano ai lati opposti della cellula, creando due poli. Lunghe fibre proteiche chiamate microtubuli vengono poi inviate da entrambi i centrioli, formando l’apparato del fuso. Questi microtubuli si incontrano (ma non si uniscono) al centro della cellula dove le coppie di cromosomi si allineano. Una volta che l’apparato del fuso è costruito, si verifica un attacco tra il cinetocoro di ogni cromosoma, che si trova vicino al suo centromero. Questo attacco è molto stabile ed è stato paragonato a una trappola cinese per dita – maggiore è la tensione, più forte è l’attacco.
Se immaginiamo che i centrioli si trovino a nord e a sud di una cellula circolare, con le coppie di cromosomi allineate attraverso l’equivalente dell’equatore – una della coppia sopra l’equatore e l’altra sotto – è facile anche immaginare come queste coppie di cromosomi possano essere separate, una tirata verso l’alto, l’altra verso il basso lungo queste fibre. Questa migrazione non avviene durante la metafase. Invece, i microtubuli tirano i cromosomi finché non sono allineati correttamente. La cellula controlla quindi che i cromosomi siano posizionati correttamente prima di passare alla fase successiva della meiosi I.
Sintesi rapida della meiosi I
La metafase è un singolo, breve stadio del lungo processo della meiosi e si verifica due volte – una volta durante la meiosi I e una volta durante la meiosi II. Per collocare questo particolare stadio all’interno del processo della meiosi I, è importante avere almeno un po’ di familiarità con gli stadi o le fasi che vengono prima o dopo la metafase.
La meiosi I inizia con l’interfase, passando attraverso gli stadi di profase I, prometafase, metafase I, anafase I, e infine telofase I e citochinesi, ed è una procedura in cui i cromosomi omologhi vengono separati. La meiosi produce sempre cellule sessuali o gameti, sotto forma di uova o sperma.
Interfase
L’interfase consiste di quattro fasi, la prima delle quali – Gap 1 – è la fase in cui la maggior parte delle cellule eucariote passa la maggior parte della loro vita ed è caratterizzata dalla sintesi proteica che promuove la crescita, la funzione e la salute delle cellule. L’interfase si verifica nelle cellule prima di entrambi i processi di mitosi e meiosi. In questa fase, il DNA non è strettamente legato in forma di cromosoma, ma vagamente legato come cromatina. Come cromatina, la replicazione del DNA è possibile. Strettamente legato come cromosoma, è molto difficile da replicare.
La seconda fase – S o “sintesi” – descrive la copia del DNA in preparazione alla divisione cellulare prima della mitosi o della meiosi, dove gli istoni proteici sono prodotti per avvolgere i nuovi filamenti di DNA copiati. Questa fase include anche una maggiore produzione di fosfolipidi che sono usati per formare le membrane delle nuove cellule.
La fase 3 – Gap 2 – descrive la replicazione degli organelli cellulari, e ancora una volta la sintesi proteica è fondamentale. In questo stadio, è ancora possibile riparare i difetti nel DNA.
Un altro stadio – Gap 0 – non è sempre lo stadio finale dell’interfase. Può verificarsi prima di G1, durante G1 o dopo la divisione cellulare. Le cellule che entrano in G0 possono farlo temporaneamente e continuare a dividersi, o lasciare completamente il ciclo di replicazione ed entrare nel processo G0 che le trasforma in cellule differenziate terminalmente.
Profase
La Profase I è caratterizzata dalla condensazione del DNA in cromosomi, sinapsi, crossing over con conseguente ricombinazione degli alleli, la migrazione dei chiasmi alle estremità dei bracci cromatidici, e il movimento di questi bracci verso poli diversi, tirando i cromosomi molto leggermente separati. Anche la membrana nucleare inizia a dissolversi in preparazione alla migrazione dei microtubuli che formano l’apparato del fuso.
Prometafase
Spesso dimenticata, la prometafase è sinonimo del completamento della rottura dell’involucro o membrana nucleare e della formazione dei cinetocori. I cinetocori si formano in un rapporto di uno per cromosoma in modo che possano iniziare i primi movimenti dei cromosomi verso i poli opposti utilizzando l’apparato del fuso. La prometafase è spesso relegata allo stadio finale della profase I. I cinetocori sono proteine che creano punti di fissazione sui cromosomi per cui i cromosomi sono in grado di attaccarsi all’apparato del fuso e muoversi lungo di esso. Questo potrebbe essere paragonato ai moschettoni o alle clip di arrampicata degli alpinisti o dei discesisti che collegano lo scalatore alla corda, permettendogli di salire e scendere.
Metafase
La metafase, in cui questo articolo è andato molto più in dettaglio, è anche conosciuta come la fase di “allineamento”. Le fibre del fuso dai centrosomi ai due poli della cellula si collegano ai cinetocori della tetrade, allineandoli attraverso il centro della cellula.
Anafase
Durante l’anafase, le cellule crescono di dimensioni. Questa crescita spinge i poli opposti ancora più lontano e fornisce forze di trazione che alla fine possono tirare ogni cromosoma a parte e alle estremità opposte (poli) della cellula.
Telofase
Una volta che i cromosomi raggiungono i loro poli opposti, inizia la telofase. L’apparato del fuso si rompe, mentre due involucri nucleari si formano intorno alle due serie di cromosomi, che iniziano a disfarsi in una cromatina “stringa di perline”.
Citocinesi
La citocinesi è la divisione effettiva della cellula. Un solco (chiamato solco) si sviluppa al centro della cellula e si restringe mentre i microtubuli nel citoplasma si contraggono, stringendo una singola cellula diploide in due cellule figlie aploidi. Nelle cellule vegetali, la membrana cellulare che separa le due cellule è sostituita da una placca cellulare.