TEMA 2: La reproducción celular

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1 TEMA 2: La reproducción celular Tema 2: La reproducción celular 1

2 ESQUEMA DE LA UNIDAD 1.- La reproducción de los seres vivos La reproducción asexual La reproducción sexual Ventajas e inconvenientes de los tipos de reproducción. 2.- El ciclo celular El núcleo en interfase El núcleo en división. 3.- La morfología cromosómica La forma de los cromosomas Los cromosomas sexuales El cariotipo. 4.- La división celular. 5.- El ciclo de la reproducción sexual. La meiosis La meiosis, una división celular diferente Importancia de la meiosis en la reproducción sexual. 6.- Ciclos biológicos. 1.- LA REPRODUCCIÓN DE LOS SERES VIVOS La reproducción es el proceso mediante el cual los seres vivos dan lugar a nuevos individuos de su misma especie. En el caso de la reproducción celular, esta tiene un fin diferente en los seres unicelulares y en los pluricelulares. En los organismos unicelulares la reproducción garantiza la perpetuidad de estos organismos. En los organismos pluricelulares la reproducción celular permite por un lado que las células que van perdiendo sean sustituidas por otras, y por otro lado aumentar el número de células provocando el crecimiento del organismo. Existen dos tipos de reproducción: la asexual y la sexual La reproducción asexual En la reproducción asexual un solo individuo es capaz de generar descendientes. Organismos que tienen este tipo de reproducción son algunas plantas y organismos simples (por ejemplo unicelulares). Tema 2: La reproducción celular 2

3 Existen varias formas de reproducción asexual: La bipartición: una célula llamada madre se divide por la mitad dando lugar a dos células hijas idénticas. Ejemplo: organismos unicelulares como las bacterias se reproducen por bipartición. La gemación: la célula desarrolla una especie de yema en la membrana plasmática que se estrangula dando lugar a dos células hijas, una más grande que la otra. Ejemplo: organismos unicelulares como las levaduras o pluricelulares como las esponjas se reproducen así. La pluripartición: el núcleo de la célula se divide sucesivamente dentro de ella y cada uno de los núcleos se rodea de una membrana formando pequeñas células hijas en el interior de la célula. Al romperse la membrana plasmática de la célula madre, las células hijas que se han formado en su interior quedan libres. Ejemplo: la mayoría de los hongos, muchas plantas y algunos protozoos se reproducen por esporulación. La fragmentación: un organismo pluricelular se divide en dos o más fragmentos, cada uno de los cuales origina un organismo completo. Este tipo de reproducción es común en algunos animales como la estrella de mar La reproducción sexual En la reproducción sexual para dar lugar a descendientes se necesita la unión de una célula reproductora o sexual masculina (espermatozoide) con una femenina (óvulo). A la unión de una célula reproductora masculina con una femenina se le llama fecundación, y a la célula que se forma tras esta unión se le llama huevo o cigoto. Ejemplos: tienen reproducción sexual algunas plantas y los animales. Tema 2: La reproducción celular 3

4 Las células reproductoras se llaman gametos y los órganos que las fabrican gónadas. Así, los gametos masculinos en los animales son los espermatozoides y los femeninos los óvulos. Las gónadas masculinas en los animales son los testículos y las femeninas los ovarios. En la mayoría de las especies hay dos sexos y cada uno de ellos tiene la capacidad de fabricar un tipo de gametos, pero también existen especies donde los individuos están preparados para fabricar los dos tipos de gametos. A los individuos de estas especies se les dice que son hermafroditas. El hermafroditismo no implica que haya autofecundación, todo lo contrario, en la mayoría de los casos la fecundación es cruzada. Son hermafroditas, por ejemplo, los caracoles. La fecundación o unión de un óvulo con un espermatozoide puede ser externa o interna: Fecundación externa: la unión de la célula reproductora masculina con la femenina se realiza fuera del cuerpo de la hembra, como sucede en la mayoría de los animales acuáticos. Fecundación interna: la unión de la célula reproductora masculina con la femenina se realiza en el interior del cuerpo de la hembra, como sucede en la mayoría de los animales terrestres. Tras la fecundación se inicia el desarrollo de un nuevo individuo en un proceso llamado desarrollo embrionario que finaliza con el nacimiento de un nuevo individuo. Tema 2: La reproducción celular 4

5 1.3.- Ventajas e inconvenientes de los tipos de reproducción Ventajas de la reproducción asexual Esta forma de reproducción es más sencilla que la sexual. La reproducción asexual asegura el crecimiento de las poblaciones gracias a un solo individuo. Inconvenientes de la reproducción sexual Los descendientes que se forman gracias a este tipo de reproducción poseen material genético idéntico al de su progenitor, y en consecuencia en una población todos los individuos poseen las mismas características. Así, de producirse un cambio perjudicial para una especie en cuestión, ese cambio podría provocar la extinción de dicha especie. Ventajas de la reproducción sexual El hecho de que este tipo de reproducción permita la formación de individuos con material genético muy variado, es una ventaja desde el punto de vista evolutivo, ya que de producirse un cambio en las condiciones del medio habrá individuos que genéticamente no estén preparados para afrontar ese cambio y desaparecerán, pero también los habrá que posean características que les permitan beneficiarse de dichos cambios. Inconvenientes de la reproducción sexual Este tipo de reproducción es bastante más compleja que la asexual. 2.- EL CICLO CELULAR El ciclo celular es un conjunto de procesos que tienen lugar desde que una célula nace hasta que se reproduce. En el ciclo celular de las células eucariotas se distinguen dos etapas o estados: el estado de crecimiento de la célula llamado también interfase, y el estado de división o reproducción celular. Recordar que la interfase es la fase de crecimiento de la célula. Esta es una etapa larga en la que mientras va creciendo, la célula duplica su ADN (es decir, hace una copia de su material genético) y se prepara para dividirse. Esta etapa de la vida de la célula tiene tres fases: Fase G1 o de primer crecimiento: esta fase, que es la más larga de las tres, se inicia en el momento del nacimiento de una célula. La célula que acaba de nacer aumenta su tamaño y multiplica sus orgánulos. También en esta fase comienza a duplicarse el centrosoma. Algunas células cuando están en esta fase entran en un estado de reposo que se llama fase G0, en el que pueden permanecer días, semanas o años antes de continuar. Incluso hay células muy especializadas, como las neuronas o las células musculares cardiacas, que no salen de la fase G0 evitando así pasar a la siguiente fase y por consiguiente la célula no se dividirá. Tema 2: La reproducción celular 5

6 Fase S o de síntesis de ADN: en esta fase la célula realiza una copia exacta de su material genético con idea de al dividirse, tenga una copia de su material genético para cada una de las dos células hijas a las que va a dar lugar. Fase G2 o de segundo crecimiento: En esta última fase de la interfase, la célula experimenta un nuevo crecimiento hasta alcanzar el tamaño adecuado para dividirse. Al finalizar esta fase, los centriolos o centrosoma de la célula se han terminado de duplicar El núcleo en interfase En el núcleo de una célula en crecimiento se distinguen los siguientes elementos: Membrana o envoltura nuclear: es una doble membrana formada a partir del retículo endoplasmático que envuelve el núcleo y protege su contenido. Contiene una serie de poros a través de los cuales se produce el intercambio de sustancias entre el núcleo y el citoplasma de la célula. Nucleoplasma: es la sustancia de relleno del núcleo en la que se encuentran dispersos el resto de los elementos. Nucleolo: es una estructura esférica que suele distinguirse al microscopio porque está como teñida de oscuro. Su función es la de fabricar y unir las subunidades que forman los ribosomas. Cromatina: es el material genético de la célula en forma de filamentos. Está formada por unas proteínas llamadas histonas y ADN El núcleo en división Los cromosomas Cuando la célula empieza la fase de división, la cromatina empieza a enrollarse hasta formar una estructura con forma de bastón primero y posteriormente en forma de X. A estas estructuras en las que se organiza la cromatina se le llaman cromosomas. Podemos decir por tanto que los cromosomas son unas estructuras en forma de bastoncillos en las que se organiza la cromatina o el ADN del núcleo celular durante las divisiones celulares. Tema 2: La reproducción celular 6

7 Número de cromosomas Las células de todos los individuos de la misma especie tienen el mismo número de cromosomas y pueden ser diploides o haploides. Célula diploide: una célula se dice que es diploide cuando tiene un número par de cromosomas (se suele decir que tiene 2n cromosomas) de manera que cada uno de ellos tiene las mismas características que otro cromosoma del grupo pudiéndose formar parejas con los cromosomas. A los dos cromosomas de la pareja que tienen las mismas características se les lama cromosomas homólogos. Son células diploides todas las de los organismos con reproducción sexual excepto sus células reproductoras o gametos. Célula haploide: una célula se dice que es haploide cuando tiene solo un juego de cromosomas diferentes (se suele decir que tiene n cromosomas). Ejemplos de células haploides son los óvulos y los espermatozoides. También se pueden diferenciar las células somáticas de las células germinales. Células somáticas: las células somáticas son las células de un organismo que no intervienen en la reproducción. Su función es formar los órganos y tejidos de los organismos pluricelulares. Todas estas células son diploides, ya que contienen un juego de cromosomas procedente de uno de los progenitores y otro juego procedente del otro progenitor. Tema 2: La reproducción celular 7

8 Células germinales: las células germinales sí intervienen en la reproducción, ya que son las células encargadas de producir los gametos. Las células germinales encargadas de producir espermatozoides se llaman espermatogonias, y las encargadas de producir óvulos se llaman ovogonias. 3.- LA MORFOLOGÍA CROMOSÓMICA La forma de los cromosomas Estructura del cromosoma simple Estructura del cromosoma duplicado Centrómero: es un estrechamiento donde se unen los dos brazos. Brazo: es cada uno de los fragmentos de la cromátida que quedan separados por el centrómero. Cromátida: es cada uno de los bastoncillos que forma el cromosoma. A las dos cromátidas del mismo cromosoma se les llama cromátidas hermanas y son idénticas, ya que una de ellas es la copia exacta de la otra que se produce durante la fase S de la interfase (por lo tanto guardan la misma información genética). Telómeros: son los extremos del cromosoma. Tema 2: La reproducción celular 8

9 Dependiendo de la posición del centrómero existen cuatro tipos de cromosomas: Cromosoma metacéntrico: el centrómero se encuentra en el centro del cromosoma, dando lugar a dos brazos con la misma longitud. Cromosoma submetacéntrico: el centrómero se encuentra ligeramente desplazado hacia un lado, haciendo que uno de los brazos sea algo más largo que el otro. Cromosoma acrocéntrico: el centrómero se encuentra próximo a uno de los telómeros, dando lugar a un brazo muy corto y el otro muy largo. Cromosoma telocéntrico: el centrómero se encuentra en uno de los telómeros, de modo que prácticamente solo se aprecia un brazo Los cromosomas sexuales La especie humana es diploide, sus células tienen 46 cromosomas; es decir, 23 parejas de cromosomas homólogos. Una de estas parejas es diferente en los hombres y en las mujeres y es la que determina el sexo de la persona. A los cromosomas de esa pareja se les denomina cromosomas sexuales (que se representan por X e Y). La mujer tiene sus dos cromosomas sexuales X (se representa XX) mientras que el hombre tiene un cromosoma sexual X y otro Y (se representa XY). El resto de cromosomas; es decir, los cromosomas que no son sexuales, se denominan autosomas El cariotipo El conjunto de cromosomas de un individuo se ordena por parejas de cromosomas homólogos de mayor a menor tamaño formando lo que se conoce como cariotipo. Dicho de otra manera, el cariotipo de un individuo es el conjunto formado por todos sus cromosomas ordenados por parejas de cromosomas homólogos de mayor a menor tamaño. Cariotipo de un ratón Cariotipo humano Tema 2: La reproducción celular 9

10 Para elaborar un cariotipo hay que estudiar las propiedades que permiten diferenciar unos cromosomas de otros, como la longitud, la posición del centrómero y la presencia de unas bandas características de cada cromosoma que se ven cuando se tiñen. 4.- LA DIVISIÓN CELULAR La reproducción o división celular sabemos que es el proceso mediante el cual se forman células nuevas a partir de otras existentes. En todas las células, excepto en las que originan células sexuales, tras la división las células hijas son idénticas entre sí e idénticas a la célula madre; es decir, contienen exactamente la misma información genética (y por lo tanto el mismo número de cromosomas). Para ello la célula madre debe disponer de dos copias del material genético (ya hemos visto que durante la fase S de la interfase se produce la duplicación del ADN) para que haya una copia para cada una de las células hijas. Cuando una célula se divide, se dividen tanto su núcleo como su citoplasma. Al proceso de división del núcleo se le llama MITOSIS y a la división del citoplasma se le llama CITOCINESIS, y se estudiarán por separado. En este proceso de duración muy variable (ya que en él influye la edad y la clase de células y otros factores como la temperatura), se distinguen cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase. Profase: es la fase más larga de la mitosis (dura el 40 % del tiempo total de la mitosis). La cromatina se condensa formando los cromosomas (que se hacen visibles al microscopio óptico), que aparecerán duplicados en algún momento de la fase; es decir, formados por dos cromátidas, cada una de las cuales guarda exactamente la misma información que la otra, ya que poco antes de haberse iniciado la división, el material genético de la célula madre se ha duplicado (esto sucede durante la fase S de la interfase, que suele duran entre 6 y 8 horas). Tema 2: La reproducción celular 10

11 Los centrosoma y cada uno de ellos con sus centriolos correspondientes (recordar que se duplicaron en la fase G2 de la interfase) emigran cada uno a un polo de la célula, formando entre ellos unas fibras de proteínas que empiezan a formar una estructura llamada huso mitótico o acromático. Por último desaparecen el nucléolo y la membrana nuclear, dejando libres a los cromosomas por el citoplasma. Metafase: Los centrosomas llegan a los polos y se termina de formar el huso mitótico o acromático. Los cromosomas se dirigen al ecuador de la célula y se unen al huso a través del centrómero. Anafase: Las fibras del huso mitótico o acromático se rompen por la mitad y las cromátidas hermanas se separan siendo ahora cromosomas diferentes pero con la misma información genética. Las fibras del huso empiezan a acortarse desplazando cada cromosoma hermano a un polo opuesto de la célula (así, al finalizar la anafase, un juego completo de cromosomas se habrá agrupado en cada polo de la célula). Telofase: sucede todo lo contrario de lo que sucedía en la profase. Desaparecen las fibras del huso mitótico. Alrededor de cada grupo de cromosomas se forma la membrana nuclear (con fragmentos de la membrana nuclear de la célula inicial) y el nucleolo. Los cromosomas se descondensan formando de nuevo la cromatina. NOTA IMPORTANTE: el resultado final de una mitosis son dos células hijas con el mismo número de cromosomas que la célula madre. ANIMACIÓN MITOSIS Tema 2: La reproducción celular 11

12 El proceso de división del citoplasma empieza cuando aún no ha terminado la mitosis y se produce de manera diferente en las células animales y en las vegetales. En las células animales la citocinesis consiste en el estrechamiento progresivo de la membrana plasmática por el ecuador de la célula estrangulando el citoplasma y aislando así los dos nuevos núcleos en dos células hijas. El estrechamiento de la membrana plasmática se inicia con un surco que se forma gracias a un anillo hecho de proteínas, que desde el interior de la célula va contrayendo su membrana. Este surco se va haciendo cada vez más profundo hasta que se produce el estrangulamiento. En las células vegetales la rigidez de la pared celular impide que se dividan en dos por estrangulamiento. En este caso se van acumulando en la zona media de la célula vegetal vesículas procedentes del aparato de Golgi que contienen componentes de la pared celular. Las vesículas se unen unas a otras gracias al huso mitótico formando un tabique llamado fragmoplasto, que cuando está terminado termina separando a la célula en dos. 5.- EL CICLO DE LA REPRODUCCIÓN SEXUAL. LA MEIOSIS Cuando hemos estudiado la mitosis hemos dicho que todas las células, EXCEPTO LAS ENCARGADAS DE PRODUCIR GAMETOS (que se llaman células germinales), tras la división, dan lugar a células hijas que contienen exactamente la misma información genética que la célula madre, y por tanto el mismo número de cromosomas. Por qué eso no ocurre con las células productoras de gametos? Porque si las células que forman los gametos se reprodujeran igual que el resto de las células, los óvulos y los espermatozoides tendrían el mismo número de cromosomas que el resto de las células del organismo y al producirse la fecundación, al unirse, se originarían individuos con el doble de cromosomas que sus progenitores (y eso no es posible porque dentro de una especie todos los individuos deben tener el mismo número de cromosomas). Tema 2: La reproducción celular 12

13 Por tanto hay células que deben dividirse de manera especial para que no se duplique el número de cromosomas de una generación a otra. A esta división especial se le llama meiosis y se puede definir así: La meiosis es un proceso de división celular mediante el cual una célula con un número par de cromosomas origina cuatro células con la mitad de cromosomas que la célula madre La meiosis, una división celular diferente Este proceso consta de dos mitosis consecutivas, la primera de ellas es una mitosis especial y la segunda una mitosis normal. Primera mitosis de la meiosis (llamada también mitosis reduccional) Consta, al igual que la mitosis, de cuatro fases, pero con algunas particularidades: Profase I La cromatina se condensa formando los cromosomas, que en algún momento estarán duplicados; es decir, formados por dos cromátidas, cada una de las cuales guarda exactamente la misma información que la otra, ya que poco antes de haberse iniciado la división, el material genético de la célula madre se ha duplicado (esto sucede durante la fase S de la interfase). Cada cromosoma busca a su homólogo y se une a él como si se cerrara una cremallera entre las cromátidas no hermanas (proceso que se conoce con el nombre de sinapsis). Se produce un intercambio de fragmentos de material genético entre las cromátidas no hermanas de los cromosomas homólogos (proceso que se conoce con el nombre de entrecruzamiento). El centrosoma se duplica y cada uno de ellos emigra a un polo de la célula, formando entre ellos unas fibras de proteínas que empiezan a constituir el huso mitótico acromático. Tema 2: La reproducción celular 13

14 Por último desaparecen el nucléolo y la membrana nuclear, dejando libres a las parejas de cromosomas por el citoplasma. Metafase I Anafase I Los centrosomas llegan a los polos y se termina de formar el huso mitótico o acromático. Las parejas de cromosomas homólogos se dirigen al ecuador de la célula y se unen al huso a través del centrómero. Las fibras del huso mitótico o acromático se rompen por la mitad y las parejas de cromosomas homólogos se separan. Las fibras del huso empiezan a acortarse desplazando cada cromosoma de la pareja a un polo opuesto de la célula. Telofase I Desaparecen las fibras del huso mitótico. Alrededor de cada grupo de cromosomas se forma la membrana nuclear (con fragmentos de la membrana nuclear de la célula inicial) y el nucleolo. Los cromosomas se descondensan formando de nuevo la cromatina. NOTA IMPORTANTE: al finalizar la primera mitosis se han formado dos células con la mitad de cromosomas que la célula inicial. Segunda mitosis de la meiosis Es una mitosis normal tras la cual se habrán formado cuatro células hijas cada una de las cuales tiene la mitad de cromosomas que la célula de partida. Tema 2: La reproducción celular 14

15 5.2.- Importancia de la meiosis en la reproducción sexual Por un lado, como ya hemos comentado al principio de la pregunta, la meiosis permite mantener constante el número de cromosomas en las especies con reproducción sexual. Además, como durante la primera división los cromosomas homólogos de origen paterno y materno se reparten al azar, se pueden formar muchos gametos diferentes. Para calcular cuántos gametos diferentes se pueden formar en una especie basta aplicar la siguiente expresión matemática: 2 n, donde n es el número de parejas de cromosomas dentro de la especie. Así por ejemplo, la especie humana tiene la capacidad para producir 2 23 = gametos diferentes. El entrecruzamiento o intercambio de información entre las cromátidas no hermanas de los cromosomas homólogos que tiene lugar durante la profase I, hace que las cromátidas maternas tengan trozos de las cromátidas paternas y viceversa, gracias a lo cual dentro de las especies con reproducción sexual hay una gran variabilidad; es decir, individuos con características muy diferentes. 6.- CICLOS BIOLÓGICOS Un ciclo biológico es la serie de cambios que sufre un organismo a lo largo de su vida, desde que nace hasta que se reproduce. En los organismos con reproducción sexual, dependiendo del tipo de células que predominen durante el ciclo (haploides o diploides), se distinguen tres tipos de ciclos diferentes: ciclo diplonte, haplonte y diplohaplonte. Tema 2: La reproducción celular 15

16 Ciclo diplonte o diploide Este ciclo es característico de los animales. Todas sus células son diploides excepto los gametos (son haploides) que se forman gracias a la división por meiosis de las células germinales, pero en la fecundación se origina el cigoto que vuelve a ser diploide. En este caso la meiosis tiene lugar antes de la fecundación. Ciclo haplonte o haploide Este ciclo se da en la mayoría de los hongos y las algas. Las células de estos organismos son haploides, y tras la fecundación se formará un cigoto diploide. Este será el único momento del ciclo de estos organismos en el que contengan células diploides, ya que el cigoto, inmediatamente después de haberse formado, se divide por meiosis originando de nuevo células haploides. En este caso la meiosis tiene lugar después de la fecundación. Ciclo diplohaplonte o diplohaploide Este ciclo se da en algunas plantas, algas y hongos, y se caracteriza porque van alternando los ciclos haplontes con los diplontes, de manera que unas generaciones son haploides y otras diploides. FIN DEL TEMA Tema 2: La reproducción celular 16