CICLO CELULAR Y DIVISIÓN Desde el punto de vista genético, las principales propiedades de los seres vivos son el mantenimiento y la expresión de la información genética. En el caso de la expresión genética, el proceso más importante es la transcripción, que es la copia de un gen en una molécula de ARN, la cual abandonará el ambiente nuclear para cumplir sus diversas funciones en el citoplasma y participar directa e indirectamente en la síntesis de proteínas. En el caso del mantenimiento de la información genética, el principal proceso es la replicación, ya que de esta forma se estaría asegurando que la información pueda ser transmitida a la siguiente generación celular sin la pérdida de alguna parte de ella. La replicación entonces implica la síntesis de una copia entera de todo el ADN que se encuentra en el núcleo, la cual debe ser previa a los procesos de división celular. Por tanto, se asume que la replicación debe consumir un tiempo relativamente grande para asegurarse de completar la síntesis y de verificar que no existan errores de copia (procesos de edición y reparación del ADN). Cuando una célula ha duplicado todo su ADN, se desencadena como consecuencia la división celular, a fin de mantener el número cromosómico normal (antes de la replicación, cada cromosoma consta de una cromátida, luego de la replicación cada cromosoma debe contener dos cromátidas, y después de la división celular, cada cromosoma vuelve a contener una cromátida en las células hijas). El tiempo que hay entre un proceso de división celular y el siguiente, se denomina ciclo celular y se divide en dos fases: El ADN ha sido replicado? El ADN está intacto? El ambiente es favorable? El ADN está intacto? El ambiente es favorable? Todos los cromosomas se han unido al huso mitótico? 1) Interfase, que consta a su vez de tres etapas: Fase S (síntesis de ADN): En esta etapa la célula duplica su material genético para pasarle una copia completa del genoma a cada una de sus células hijas. Fases G 1 y G 2 (por G de gap o intervalo): Son las fases en las cuales la célula está muy activa metabólicamente, lo cual le permite incrementar su tamaño (aumentando el número de proteínas y organelas), de lo contrario las células se harían más pequeñas con cada división. La fase G1 es el periodo que hay entre una división y el inicio de la fase S, y en ella los procesos de síntesis y producción de energía tienen como objetivo preparar a la célula para la replicación, mientras que la fase G2 abarca el tiempo que hay entre el término de la fase S y el inicio de la división celular, y los procesos de síntesis y energía que ocurren en ella sirven para sostener este proceso. 1
2) Fase M o de Mitosis: En esta fase se reparte a las células hijas el material genético duplicado, a través de la segregación de los cromosomas. La fase M, para su estudio se divide en: Profase: En esta etapa los cromosomas (constituidos de dos cromátidas hermanas) se condensan en el núcleo, mientras en el citoplasma se comienza a ensamblar el huso mitótico entre los centrosomas. Metafase: Comienza con el rompimiento de la membrana nuclear, de esta manera los cromosomas se pueden unir al huso mitótico (mediante los cinetocoros). Una vez unidos los cromosomas estos se alinean en el ecuador de la célula. Anafase: Se produce la separación (disyunción) de las cromátidas hermanas, las cuales dan lugar a dos cromosomas hijos, los cuales migran hacia polos opuestos de la célula. Telofase: Aquí ambos juegos de cromosomas llegan a los polos de la célula y adoptan una estructura menos densa, posteriormente se forma nuevamente la envoltura nuclear. Al finalizar esta fase, la división del citoplasma y sus contenidos comienza con la formación de un anillo contráctil. Citocinesis: Finalmente se divide la célula por estrangulación de la membrana mediante un anillo contráctil de actina y miosina, produciendo dos células hijas cada una con un juego completo de cromosomas. Cuando ya no se requieren más células, éstas entran en un estado denominado fase G 0, en el cual abandonan el ciclo celular y entran en un periodo de latencia, lo cual no significa que entren en reposo ya que estas células presentan un metabolismo activo, pues si estas células reciben el estímulo adecuado abandonan el estado G 0 y entran al G 1. Algunas poblaciones celulares altamente especializadas como las fibras musculares o neuronas al entrar en estado G 0 abandonan indefinidamente el ciclo celular. 2
Para la célula, la mitosis tiene tres niveles de trascendencia. A nivel genético, representa un sistema de reparto equitativo e idéntico de la información genética. Ambas células hijas tendrán la misma información que poseía la célula madre (es decir, son clones de ella). A nivel celular, la mitosis permite la perpetuación de una estirpe celular y la formación de colonias de células (lo cual permite, por ejemplo, el cultivo de tejidos). A nivel orgánico, la mitosis permite el crecimiento y desarrollo de los tejidos y de los órganos de los seres pluricelulares así como la reparación y regeneración de los mismos. De esta manera todas las células de un organismo pluricelular, a excepción de las células sexuales, disponen de idéntica información genética. MEIOSIS Como se ha visto, la mitosis genera dos células hijas con el mismo número (diploide) de cromosomas y, sobre todo, con exactamente el mismo contenido genético. Para la reproducción sexual, un paso fundamental es la formación de gametos (células haploides) que, en la fecundación, juntarán su contenido genético para nuevamente renovar el número diploide de cromosomas de la célula. La formación de gametos se realiza a través de un proceso especial de división celular, en el cual primero se reduce a la mitad el número de cromosomas y luego las células generadas se duplican para así obtener cuatro células haploides. Este proceso se conoce con el nombre de meiosis y está constituido por dos divisiones celulares consecutivas, entre las cuales hay un periodo relativamente breve de interfase, sin fase S (es decir, sin replicación). En la Meiosis, los fenómenos más importantes ocurren durante la Profase I, la cual se divide en: A) Leptoteno: Los cromosomas aparecen como finos filamentos. B) Cigoteno: Pareamiento de los cromosomas homólogos en toda su longitud (sinapsis), formando divalentes. C) Paquiteno: Cromosomas acortados, se observan tétradas. Comienza el entrecruzamiento (crossing over) entre los brazos de cromátidas no hermanas. D) Diploteno: Los bivalentes se separan, el crossing over se hace evidente en diversos puntos (quiasmas). E) Diacinesis: Los quiasmas quedan en los extremos de los cromosomas. En la Metafase I, la distribución ecuatorial de los cromosomas se realiza manteniendo juntos a los cromosomas homólogos, una vez terminado el entrecruzamiento. Esto va a generar que en la anafase I ocurra la separación de los cromosomas homólogos, Paquiteno Diacinesis Diploteno 3
a diferencia de lo que ocurre en la metafase y anafase mitóticas donde se aprecia el alineamiento lineal de los cromosomas y la posterior separación de las cromátidas hermanas. En todo caso, la imagen de la anafase, sea mitótica o meiótica, se denomina disyunción, en la cual se observa que los cromosomas (o las cromátidas hermanas según sea el caso) se están separando y migrando a los polos. Debido a que la disyunción que ocurre en anafase I ha separado a los cromosomas homólogos, terminando la telofase I se tendrán células resultantes con un cromosoma de cada tipo. Es decir, células haploides. Es por esta razón que a la meiosis I se la conoce como división reduccional. En la meiosis II, los procesos o fases son equivalentes a los de la división mitótica, sólo que está ocurriendo en una célula haploide. En metafase II, la disposición ecuatorial ya no es por pares sino por cromosomas individuales, y la anafase II producirá la separación de cromátidas hermanas (las cuales ya separadas, ahora serán consideradas como un cromosoma independiente), migrando la misma cantidad y el mismo tipo de información a cada célula hija. Como las células que entraron a la segunda división meiótica ya tenían el número haploide de cromosomas, la meiosis II es también conocida como una división ecuacional, ya que las células resultantes tienen el mismo número cromosómico que la célula progenitora. Anafase I Metafase II TelofaseI/Profase II Anafase II SIGNIFICADO DE LA MEIOSIS Si se toma en cuenta que los genes están constituidos por una secuencia de nucleótidos, se puede esperar que dentro de un mismo gen puedan encontrarse diferentes variantes debido a mutaciones puntuales que van a generar una variación en la expresión final (formación de ARN o de proteínas). Estas mutaciones producen una alteración estructural y/o funcional bastante definida en las proteínas y enzimas codificadas por los genes. Estas variantes de un mismo gen que pueden encontrarse en los cromosomas homólogos, se denominan alelos. Por otro lado, los organismos diploides son producto de la fecundación, o unión de dos gametos, el espermatozoide y el óvulo. Esto significa que el nuevo individuo contiene el conjunto haploide de cromosomas heredado directamente del padre (a través del espermatozoide) y también el de la madre (a través del óvulo). Cuando ocurre la meiosis, entonces, la célula germinal (diploide) contiene cromosomas paternos y maternos). Terminando la meiosis, se obtendrán células haploides, con un cromosoma de cada par, pero el origen de los cromosomas que se encontrarán en un Telofase II 4
gameto resultante es completamente aleatorio. Es decir, en la meiosis masculina por ejemplo, se pueden juntar un cromosoma 15 paterno con un cromosoma 21 materno, junto con un cromosoma X o un Y. En el caso del ser humano, al tener un número haploide de 23 cromosomas, la meiosis produciría 2 23 posibles combinaciones entre cromosomas paternos y maternos y por lo tanto una combinación prácticamente infinita de alelos paternos y maternos contenidos en estos cromosomas, lo cual es fuente de una gran diversidad genética. Los fenómenos más relevantes de la meiosis son el entrecruzamiento y la disyunción, ambos procesos físicos que pueden ser observados a través del microscopio compuesto. Sin embargo, estos mecanismos van a generar fenómenos genéticos muy importantes. Por ejemplo, el entrecruzamiento entre los brazos de cromosomas homólogos permitirá que ocurra un intercambio en estas porciones. Entonces, si ocurre el crossing over o entrecruzamiento de fragmentos de cromosomas homólogos, se produce un intercambio de material genético y por tanto un intercambio de alelos. A este proceso se denomina recombinación. La recombinación por tanto será otra gran fuente de variabilidad genética, puesto que los cuatro gametos resultantes no tendrán la misma combinación de alelos que los cromosomas antes del inicio de la meiosis. Ya se había comentado que la anafase está marcada por la disyunción que es la separación de cromosomas homólogos o de cromátidas hermanas, según sea la primera o segunda división meiótica. Pero, en anafase I, producto de la recombinación previa, la disyunción genera la separación de los alelos (posiblemente diferentes) contenidos en los cromosomas homólogos). Por tanto, la disyunción en Anafase I genera la separación de alelos, proceso que se conoce también como segregación, y que es la base de la Genética Mendeliana. 5