01 Introduccion Mitosis Y Meiosis 22145l

MITOSIS Y MEIOSIS Introducción La genética es el estudio de los genes y la herencia. En los eucariotas, los genes no se hallan dispersos de forma individual dentro del núcleo celular, sino que se encuentran ordenados de forma lineal en cromosomas; este concepto se conoce como teoría cromosómica de la herencia. Por ello, si deseamos estudiar los genes y como se transmiten a través de las generaciones debemos comprender primero la naturaleza de los cromosomas y su dinámica dentro de un individuo o de generación en generación. Es por ello que el estudio de las divisiones nucleares como la mitosis y meiosis es de fundamental importancia en la genética.

Ciclo Celular Antes de comenzar con la descripción de la mitosis y meiosis es conveniente repasar el ciclo celular. Este es un conjunto ordenado de sucesos que conducen a un incremento en el tamaño de la célula y su división en dos células hijas. El ciclo celular se divide en dos fases: Interfase (I): es el período comprendido entre una mitosis y la siguiente. Es la fase más larga del ciclo, ya que ocupa casi el 90% del mismo. Durante esta fase los cromosomas se hallan descondensados formando una masa laxa y enredada de fibrillas llamada cromatina (sustancia formada por ADN, ARN, protínas histónicas y proteínas no histónicas). Al estar descondensada la cromatina, el ADN es accesible a las proteínas encargadas de la transcripción de los genes. Por eso, esta fase, que comprende tres etapas, es de activa expresión génica. Fase G1 (Gap 1, Intervalo 1): etapa en la que la célula duplica su tamaño y su masa debido a la continua síntesis de proteínas y aumento en el número de organelas y ribosomas. Durante esta etapa se sintetizan todas las proteínas requeridas en la fase S, principalmente aquellas necesarias para la síntesis de ADN. Algunas células pueden salir del ciclo celular ingresando a una etapa conocida como G0, en la cual permanecen quiescentes, es decir que no se dividen ni se disponen a dividirse pero cumplen con sus funciones. Algunas células, como las neuronas, permaneces en esta etapa toda su vida, mientras otras vuelven a entrar en G1. Fase S (Synthesis= síntesis): etapa en la que se lleva a cabo la síntesis o duplicación del ADN. Como resultado, cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas hermanas idénticas. La cantidad de ADN y proteínas en el núcleo se duplica. Fase G2 (Gap 2, Intervalo 2): tercera etapa del ciclo celular en la que la célula continúa con la síntesis de ARN y proteínas. Esta etapa finaliza cuando la cromatina comienza a condensarse, marcando el comienzo de la fase M. Fase M: es la etapa en la que ocurre la división de una célula somática en dos células hijas genéticamente idénticas. Esta fase incluye la mitosis y la citocinesis (división del citoplasma).

Mitosis La mitosis es un tipo de división nuclear (cariocinesis) por el cual a partir de un núcleo se generan dos núcleos idénticos (en cuanto al número y tipo de cromosomas y a la combinación de genes). La mitosis generalmente es seguida por la división del citoplasma (citocinesis) dando como resultado dos células hijas, cada una con un núcleo. Se podría decir a grandes rasgos, que es un mecanismo de copiado y/o conservación de material genético. La mitosis cumple funciones importantes en los organismos vivos como: El crecimiento: en los organismos pluricelulares se da por el aumento del número de células, además del tamaño celular. Este aumento en el número de células se lleva a cabo por división mitótica. Para ejemplificar este punto tomemos como ejemplo un cuerpo humano, constituido por aproximadamente 37 billones de células, casi todas con la misma información genética, originadas por mitosis a partir de una única célula llamada cigoto, que es el producto de la fecundación o unión del gameto masculino y el gameto femenino. La renovación de células muertas o perdidas en un organismo, reconstitución de tejidos, órganos o dañados o perdidos: por ejemplo cuando sufrimos un corte en la piel interviene en la cicatrización o cuando una estrella de mar pierde uno de sus brazos, la mitosis interviene en la regeneración del mismo. La reproducción asexual: como en los organismos eucariotas unicelulares y en algunos pluricelulares, en los que pueden formarse nuevos individuos a partir de células somáticas por mitosis, por ejemplo la papa, que puede reproducirse por medio de tubérculos y estolones, dando origen a individuos genéticamente idénticos (clones). La mitosis está asociada a las células somáticas (aquellas células que no van a convertirse en células sexuales) sin importar su ploidía. Etapas de la mitosis El proceso de mitosis es rápido y altamente complejo, y está integrado por una serie de eventos sucesivos que se desarrollan de manera continua. Para facilitar el estudio de estos eventos se los ha separado en varias etapas conocidas como: profase, metafase, anafase y telofase. La mitosis es generalmente, pero no necesariamente, seguida inmediatamente por la citocinesis, la cual divide el citoplasma, las organelas y la membrana celular en dos células, cada una con un núcleo, con cantidades similares de estos componentes. Profase: los cromosomas, formados por dos cromátidas hermanas descondensadas y unidas a través del centrómero por medio de un complejo proteico de cohesinas, comienzan a condensarse y acortarse. Simultáneamente, en las células animales ocurre la duplicación del centrosoma y cada centrosoma hijo comienza a migrar hacia un polo opuesto de la célula. Mientras tanto los nucleolos comienzan a desaparecer. Al finalizar de la profase los cromosomas se han condensado tanto que son visibles en el microscopio óptico, los nucleolos han desaparecido, los centrosomas se han ubicado en los polos celulares y la membrana nuclear se ha desintegrado. Metafase: los centrosomas son centros organizadores de los microtúbulos (uno de los tipos de fibras que forman el citoesqueleto) por lo que controlan la formación, alargamiento y acortamiento de los

mismos. Los centrosomas comienzan a proyectar los microtúbulos hacia donde se encuentran los cromosomas. Se forma de esta manera el huso acromático. Los microtúbulos pueden interactuar con los formados en el polo opuesto o anclarse a los cromosomas a través de los cinetocoros que se forman sobre los centrómeros Cada cromosoma posee dos cinetocoros opuestos en su centrómero, uno en cada cromátidas hermana. Los cinetocoros son complejos proteicos que poseen varios motores moleculares que se desplazan por los microtúbulos hacia los centrosomas. Es por esta actividad motora del cinetocoro junto con el alargamiento/acortamiento de los microtúbulos que los cromosomas pueden desplazarse por la célula durante las divisiones nucleares. Los microtúbulos de los centrosomas opuestos se unen a uno de los dos cinetocoros de cada cromosoma, por lo que cada cinetocoro en un cromosoma “tira” hacia un polo opuesto. Esta suerte de “tira y afloje” es lo que ubica a los cromosomas duplicados en la placa ecuatorial, evento que caracteriza a la metafase. Anafase: cuando todos los cromosomas duplicados se encuentran en la placa ecuatorial, el complejo de proteínas cohesinas que mantenía unidas a las cromátidas hermanas de un cromosoma se degradan, quedando las cromátidas hermanas separadas. Luego cada cromátida hermana, que ahora es un cromosoma, es empujada por su cinetocoro a un polo opuesto. Así esta fase se caracteriza por la separación de las cromátidas hermanas y su migración a polos opuestos. Telofase: Es un proceso inverso a la profase. Los cromosomas se encuentran en el polo celular. Alrededor de ellos se vuelve a formar la membrana nuclear, los cromosomas se descondensan en cromatina y reaparecen los nucleolos. La cariocinesis termina después de la telofase.

Meiosis La meiosis un tipo de división nuclear en la cual una célula da origen, luego de dos divisiones nucleares consecutivas, a cuatro células hijas, que poseen la mitad del número de juegos cromosómicos de la célula original (y, por ende, la mitad de los cromosomas) y nuevas combinaciones cromosómicas (y, dependiendo de genotipo, nuevas combinaciones génicas). Así las células hijas son diferentes a la célula madre en cuanto a número de cromosomas y, dependiendo del genotipo, combinación de genes, pudiendo ser diferentes entre ellas, pero solo en cuanto a la combinación de genes, y en algunos casos, en cuanto al número de cromosomas. La meiosis cumple un papel fundamental en la reproducción sexual porque en los animales forma directamente los gametos, mientras que en plantas y hongos origina esporas sexuales (micro y megasporas) que darán origen a las estructuras que producirán los gametos (gametofitos). La función principal de la meiosis es la: Reducción a la mitad del número de juegos cromosómicos en los gametos o esporas sexuales: así al fusionarse un gameto masculino y uno femenino se restituye el número cromosómico original, el cual se mantiene constante de generación en generación. Para ilustrar la importancia de este hecho tomemos como ejemplo al hombre, quien en sus células somáticas posee dos juegos de cromosomas, cada uno con 23 cromosomas (46 cromosomas

en total). Los hombres y mujeres producen espermatozoides y óvulos, respectivamente, a través de la división meiótica, con un juego de 23 cromosomas en sus núcleos. Al fusionarse un óvulo con un espermatozoide se forma un cigoto con dos juegos de cromosomas, cada uno con 23 cromosomas, por lo que se restablece el número cromosómico somático de los padres que le dieron origen. Generación de variabilidad genética: en primer lugar produciendo nuevas combinaciones cromosómicas en el cigoto, con los cromosomas heredados de cada progenitor, ya que los cromosomas no homólogos segregan independientemente; en segundo lugar formando en cada progenitor cromosomas diferentes a los de sus células somáticas por medio de entrecruzamientos e intercambio de material genético entre cromosomas homólogos (crossing-over). La meiosis ocurre en las células sexuales. Etapas de la meiosis La meiosis consiste en dos procesos de cariocinesis continuas luego de una única etapa de duplicación del ADN (fase S). Al final de cada proceso de cariocinesis puede darse un evento de citocinesis, como en las plantas monocotiledóneas y animales, o pueden darse dos eventos de citocinesis continuos al finalizar la segunda cariocinesis, como en las dicotiledóneas. Los dos procesos de cariocinesis de la meiosis se conocen como meiosis I y meiosis II y están formados por una serie de eventos sucesivos que se desarrollan de manera continua. Al igual que en la mitosis, tanto los eventos de la meiosis I como los de la meiosis II se han separado en profase, metafase, anafase y telofase. A continuación se describirá la meiosis de un organismo diploide, es decir que posee dos juegos de cromosomas. Meiosis I Es precedida por una interfase normal con duplicación del ADN, en la que cada cromosoma está formado por dos cromátidas idénticas unidas por un complejo proteico de cohesinas. Recordar que las cromátidas durante la interfase se hallan descondensadas formando la cromatina. Es en la meiosis I donde ocurren los eventos más característicos de la meiosis: la reducción a la mitad del número de juegos cromosómicos por la separación de los cromosomas homólogos y la generación de variabilidad, ya sea por la segregación independiente de los cromosomas no homólogos como por la ocurrencia de entrecruzamientos entre cromosomas homólogos. Profase I: es la etapa más compleja de la meiosis y se la ha dividido en cinco subetapas conocidas como leptotene, zigotene, paquitene, diplotene y diacinesis. Al principio de esta fase, en las células animales ocurre la duplicación del centrosoma y la migración de cada centrosoma hijo hacia un polo opuesto de la célula. De forma simultánea los cromosomas comienzan a condensarse y acortarse, y los cromosomas homólogos se aproximan y se aparean. Los cromosomas se aparean gen a gen, por lo que la secuencia de genes está implicada en el apareamiento entre los cromosomas homólogos, de modo que se evita el apareamiento entre los cromosomas no homólogos. Las estructuras formadas por dos cromosomas homólogos apareados se conocen como bivalentes. En los bivalentes se produce el entrecruzamiento cromosómico (crossing-over) en el cual las cromátidas no hermanas

intercambian material genético. La evidencia citológica (física, observable por microscopía óptica) del entrecruzamiento se conoce como quiasma porque es una estructura con forma de X. Al finalizar la profase los cromosomas homólogos se encuentran formando bivalentes, la membrana nuclear y los nucléolos se han desintegrado y los centrosomas se encuentran en polos opuestos. Metafase I: al igual que en la metafase mitótica, los centrosomas proyectan los microtúbulos hacia donde se encontraba el espacio nuclear. Los microtúbulos pueden interactuar con los formados en el polo opuesto o anclarse a los bivalentes a través de los cinetocoros que se forman sobre los mismos. En cada bivalente se forman dos cinetocoros, uno en cada cromosoma homólogo. Por acción del acortamiento/alargamiento de los microtúbulos y por la acción motora de los cinetocoros, los bivalentes se disponen en el plano ecuatorial. Anafase I: hasta este momento los cromosomas homólogos se han mantenido unidos gracias a los quiasmas y a la presencia de las cohesinas que mantienen las cromátidas hermanas unidas impidiendo el desplazamiento de los quiasmas hacia los extremos libres de los cromosomas. En anafase sólo las cohesinas que se encuentran entre el quiasma y los extremos libres de los cromosomas son degradadas. Como consecuencia de esto más la acción de empuje hacia los polos por parte de los cinetocoros, los quiasmas se desplazan hacia los extremos libres de los cromosomas y desaparecen al alcanzarlo (fenómeno conocido como “terminalización de los quiasmas”). En este momento los cromosomas homólogos se encuentran separados, pero las cohesinas presenten en la regiones centroméricas de los cromosomas mantienen la unión entre las cromátidas hermanas. Los cromosomas homólogos son empujados a polos opuestos por sus cinetocoros. Al finalizar la anafase, en cada polo celular se encuentra un cromosoma de cada par de homólogos, por lo que cada polo solo posee la mitad del número de juegos cromosómicos que la célula original. Cada cromosoma posee dos cromátidas hermanas.

Telofase I: alrededor de los grupos de cromosomas de cada polo se reconstituye la envoltura nuclear y los cromosomas se descondensan. Al finalizar la telofase I puede ocurrir la primera citocinesis o no, de acuerdo al organismo en cuestión.

Meiosis II Ocurre luego de una segunda interfase sin duplicación del ADN, o puede darse directamente después de finalizada la primera división meiótica. Por eso, cada célula solo posee la mitad del número de juegos cromosómicos y cada cromosoma está formado por dos cromátidas descondensadas unidas a través del centrómero por medio de un complejo proteico de cohesinas. La meiosis II es similar a la mitosis. Profase II: al finalizar la profase II los cromosomas se han condensado, los nucleolos han desaparecido, los centrosomas se han duplicado y migrado a los polos celulares y la membrana nuclear se ha disuelto. Metafase II: en los centrómeros de cada cromosoma se forman dos cinetocoros opuestos, uno en cada cromátida hermana. Por acción del acortamiento/alargamiento de los microtúbulos y la función motora de los cinetocoros, los cromosomas se disponen en la placa ecuatorial. Anafase II: cuando todos los cromosomas duplicados se encuentran en la placa ecuatorial, el complejo de proteínas cohesinas, que mantenía unidas a las cromátidas hermanas a nivel del centrómero, se degradan quedando las cromátidas hermanas separadas. Luego cada cromátida hermana, que ahora es un cromosoma, es empujado por su cinetocoro a un polo opuesto. Al finalizar esta fase las cromátidas hermanas han migrado a polos opuestos. En cada polo se encuentra la mitad del número de juegos cromosómicos de la célula que ingresó en la meiosis I, y cada cromosoma está formado por una cromátida. Telofase II: Los cromosomas se encuentran en el polo celular. Alrededor de ellos se vuelve a formar la membrana nuclear, los cromosomas se descondensan de nuevo en cromatina y aparecen los nucléolos. Terminada la telofase II ocurre la segunda citocinesis o las dos citocinesis simultáneas en aquellos organismos en los que no ocurre la primera citocinesis luego de la Telofase I.

Anormalidades Ciclo celular A lo largo del ciclo celular existen puntos de controles que aseguran la progresión sin fallos del mismo, detectándose presencia de daño en el ADN y el correcto avance de procesos críticos en el ciclo, como son la duplicación del ADN o la segregación de cromosomas. Estos puntos de control están formados por proteínas señales; por ende, están regulados por genes. Uno de los genes más importantes es el gen p53, conocido como “supresor de tumores”. Cuando una célula posee dos copias “dañadas” de este gen, la célula comienza a dividirse sin control, pudiendo llevar a la formación de tumores. De esta manera se entiende que muchos de los genes que participan en la formación de tumores o cáncer estén implicados en el control del ciclo celular.

Mitosis Una parte de estos errores pueden detectarse por alguno de los puntos de control existentes a través del ciclo celular, lo cual produce una detención en la progresión celular, dando tiempo a los mecanismos reparadores a corregir el error. Si esto no ocurre, el efecto de estas anormalidades genéticas dependerá de la naturaleza específica del error. Puede variar de una anomalía imperceptible, a carcinogénesis o a la muerte del organismo. Aunque los errores en la mitosis son muy poco frecuentes, pueden darse especialmente durante las primeras divisiones celulares en el cigoto. Los errores mitóticos pueden ser especialmente peligrosos para el organismo, porque el descendiente futuro de la célula madre defectuosa mantendrá la misma anomalía. Entre las anormalidades podemos encontrar: Separaciones anormales de las cromátidas hermanas durante la anafase: cuando ocurre las cromátidas hermanas no se separan y migran al mismo polo. Este hecho puede causar inestabilidad genética en las células hijas y sus descendientes, un hecho frecuente en cáncer. Roturas en los cromosomas: debido a las tensiones que sufren por parte de los microtúbulos los cromosomas pueden dañarse, produciendo cambios en la estructura de los mismos. Meiosis En la meiosis debe tener lugar una correcta separación de los cromosomas homólogos en anafase I y de las cromátidas hermanas en anafase II. Cuando esto no ocurre, las células originadas por la meiosis pueden tener cromosomas de más o de menos. Esto puede tener como consecuencia: Disminución de la fertilidad del individuo: si es que las células hijas (gametos o esporas sexuales) no toleran la pérdida o ganancia de cromosomas. En casos extremos, si las anormalidades en la meiosis son constantes, puede llevar a la esterilidad del individuo. Descendientes con Síndromes de distinto tipo: si los gametos que portan cromosomas de más o de menos participan en la formación de un cigoto. En algunos casos la falta o exceso de cromosomas en el embrión no son toleradas y el mismo muere, en otros casos son toleradas, pero los individuos resultantes pueden padecer ciertos síndromes, como por ejemplo el síndrome de Down.