domingo, 14 de diciembre de 2014

La reproducción (y el resto de la vida) de las células

Normalmente, cuando se habla del ciclo celular se hace, en realidad, para describir los procesos de reproducción celular, tanto asexuales (mitosis) como sexuales (meiosis), lo que puede dar la impresión de que las células de cualquier organismo están permanentemente desarrollando tales actividades. Esta visión deja de lado dos hechos fundamentales en el funcionamiento de cualquier organismo: el primero es que las células también mueren, por lo que no debería considerarse que su vida es un "ciclo". El segundo es que, dentro de un organismo pluricelular, la reproducción celular es un hecho muy regulado, que se produce solo en ciertas condiciones y que, en general, está limitado solo a un número reducido de células.

Así pues, en lugar de representar la vida de las células como un ciclo "eterno", sería más ajustado presentarla como un proceso lineal: la célula nace de otra que, en general, está menos especializada que ella, se desarrolla adquiriendo las características que le van a permitir realizar sus funciones específicas en el organismo del que forma parte y tras un cierto periodo de actividad acaba muriendo, ya sea de forma programada o como resultado de algún tipo de error, fallo de funcionamiento, daño, infección... Normalmente, una de estas células "adultas" (diferenciadas es el término correcto) de nuestro organismo no es reemplazada por una de sus hijas, sino más bien por una de sus "hermanas", ya que estas células suelen tener muy limitada su capacidad de reproducirse. 

Para tratar de evitar este problema, que puede dar lugar a algunas ideas equivocadas acerca de cómo funciona un organismo vivo, describiremos la vida de tres células diferentes: una totalmente diferenciada, que no va a volver a dividirse, una célula "madre", es decir, cuya función en el organismo es dar lugar a otras células "somáticas", y finalmente una célula madre de los gametos, cuyo papel es el de producir ese tipo celular específico que participará en la reproducción sexual del organismo en su conjunto.

La vida de una célula diferenciada

Muchas células de nuestros tejidos y órganos están programadas para no dividirse nunca. Nacen como resultado de un proceso de reproducción celular "asimétrico", que da lugar a dos tipos de células diferentes: una de ellas va a conservar la capacidad de reproducirse, para seguir dando lugar a nuevas células del tejido o del órgano. El ejemplo extremo de este tipo de células son los glóbulos rojos, tan especializados que ni siquiera tienen núcleo (en los mamíferos). Sin llegar tan lejos, las neuronas son también un caso de células que no se vuelven a dividir a lo largo de la vida del organismo.

Una célula somática (no reproductora) especializada crece hasta alcanzar su tamaño definitivo. Sus orgánulos están bien diferenciados, incluyendo la envoltura nuclear, y una parte de sus genes está activa, pero el resto está inactivada porque no los va a utilizar.

La célula está realizando sus funciones habituales, para lo cual necesita producir proteínas. Por ese motivo el ADN está descondensado, de modo que no pueden observarse los cromosomas. Durante este periodo se está produciendo la transcripción, es decir, el ADN es leído y da lugar a moléculas de ARN, así que puede observarse el nucleolo como una estructura diferenciada.

En cuanto a la cantidad de ADN que tiene la célula, hay dos copias de cada cromosoma, pero cada una de esas copias solo está formada por una cromátide (2n cromosomas, 2n cromátides).

Al cabo de un cierto tiempo, más o menos largo, todas las células del organismo mueren. Este proceso puede tener lugar de dos modos diferentes, en función de si se trata de un acontecimiento "programado" como parte del funcionamiento habitual del organismo, por ejemplo cuando se reabsorbe parte de un tejido durante el desarrollo, o de si la muerte celular se produce como consecuencia de un daño. En el primer caso la célula muere por "apoptosis". Es un proceso ordenado, en el que la mayor parte de los materiales celulares se reutilizan. Si, por el contrario, la célula ha sufrido algún daño y debe ser eliminada la muerte se produce mediante "necrosis": la membrana celular se rompe, el contenido de la célula sale al exterior y se liberan sustancias que actúan como mensajeros para advertir al resto del organismo que el daño ha tenido lugar.

La vida de una célula madre

Dentro de un organismo, las células capaces de reproducirse se encuentran, nomalmente, en un estado similar al G0, es decir, realizando sus "trabajos de mantenimiento" habituales, lo que supone utilizar sus genes para sintetizar las proteínas que necesitan y obtener materiales y energía de los nutrientes que utilizan. La división celular solo ocurre como respuesta a un mensaje procedente del resto del organismo, que llega en forma de una sustancia química que actúa como "agente mitógeno", es decir, que induce la mitosis. Como la célula va a seguir, a partir de este momento, un proceso de división la fase en que se encuentra se denomina G1 en lugar de G0, pero ambos estados son idénticos.


La llegada de los agentes mitógenos a la célula va a desencadenar en ella una serie de procesos que permiten su división, y que deben ocurrir de un modo secuencial y controlado:
  1. Duplicación del material genético.
  2. Comprobación de que el material genético se ha duplicado correctamente.
  3. Distribución del material genético en dos núcleos hijos.
  4. Reparto del citoplasma y de los orgánulos.
  5. Control de que el proceso se ha realizado correctamente y crecimiento.
Si después de la división la célula debe volver a dividirse, por ejemplo porque forma parte de un tejido en proliferación, como las células madre de la sangre, estos procesos se repiten de forma cíclica, mientras que si no es necesario dar lugar a más células volverá a entrar en una fase de reposo (G0).

El proceso [3], la distribución del material genético entre las células hijas, recibe el nombre de mitosis y el [4], el reparto de los orgánulos, se denomina citocinesis, mientras que el resto del ciclo celular constituye la interfase.

Interfase

El ciclo de vida de una célula de este tipo, desde una división a la siguiente, se caracteriza porque tiene fases en las que se observa una intensa actividad alternándose con otras en las que la célula parece tranquila, al menos cuando se observa a través del microscopio, por lo que se denominan periodos "gap". Sin embargo estas fases son imprescindibles, porque durante ellas la célula está llevando a cabo procesos fundamentales para poder seguir con su división.

Entrada en división: la fase G1

En realidad, como se ha dicho, la fase G1 no se distingue de la G0, solo se denominan de forma diferente según lo que le vaya a ocurrir a la célula a continuación.

Antes de empezar a dividirse la célula debe crecer, hasta alcanzar un tamaño adecuado. Para ello produce proteínas activamente y realiza sus funciones con normalidad. Si recibe la señal adecuada, empieza los procesos para dividirse, pero antes realiza una comprobación de que todo está funcionando adecuadamente. Este momento es fundamental en la vida de la célula, y recibe el nombre de punto de restricción. Si la célula lo supera va a seguir con el ciclo celular con normalidad, pero si detecta que ha ocurrido algún error se produce su muerte mediante un proceso de apoptosis.

En esta fase el núcleo esta rodeado por la envuelta nuclear y presenta nucleolo. Junto a él se encuentra un centrosoma, es decir, una pareja de centriolos de los que irradia un haz de microtúbulos.

Periodo S: la duplicación del material genetico

En la fase G1 las células tienen solo el material genético que necesitan para realizar su actividad habitual: dos copias de cada cromosoma, pero cada una de ellas formada por una sola cromátide, que es una única doble hélice de ADN. Esta molécula sirve de molde en el proceso de replicación, de modo que al final de esta fase cada cromosoma, que sigue desespiralizado, está formada por dos cromátides idénticas unidas entre sí por el centrómero.

Fase G2: control del proceso

El periodo G2 vuelve a ser una etapa de calma aparente, después de los cambios ocurridos durante la fase de síntesis anterior. Durante este tiempo la célula se dedica a comprobar que la replicación del material genético ha tenido lugar correctamente antes de iniciar la división. Si todo ha ido bien, continuará con el proceso, pero si se han producido fallos que no pueden ser reparados entrará en un proceso de apoptosis que provocará su muerte.

Fuera del núcleo la actividad celular es intensa: el centrosoma se duplica y se sintetizan muy activamente proteínas del citoesqueleto que, formando los microtúbulos, participarán en el reparto de los cromosomas.

División nuclear: mitosis

 El reparto del material genético entre dos células es un proceso delicado, que debe garantizar la integridad de las moléculas de ADN y que se distribuyan equitativamente entre los dos núcleos, de modo que cada uno de ellos tenga exactamente la misma información que el otro.

Hay que tener en cuenta que el ADN es una molécula extraordinariamente larga, que debe encontrarse desenrollada para realizar sus funciones. Podemos compararla con un hilo de gran longitud suelto en un recipiente. Tratar de repartir el material genético de un núcleo plantea un problema parecido a tratar de separar varios hilos de cientos de metros que están mezclados en una caja de zapatos sin que se enrede entre ellos o se rompan, y la solución que adopta la célula es bastante parecida a la que usaríamos nosotros ante semejante problema: enrollar sobre sí mismo cada hilo para formar una bobina, mucho más corta y compacta, mucho más sencilla de separar del resto.

El equivalente celular de las bobinas de hilo son las cromátides condensadas de los cromosomas. El empaquetamiento del ADN en esas "bobinas" es muy grande: una molécula de ADN asociada a las histonas (proteínas que lo acompañan en la cromatina de las células eucariotas) forma una fibra de unos 10 nm de diámetro, mientras que esa misma molécula, cuando se enrolla sobre sí misma y se asocia a otras proteínas para formar la cromátide durante la mitosis llega a alcanzar un diámetro de unos 700 nm.

Así pues, para que pueda producirse el reparto del material genético durante la división celular, deben tener lugar los siguientes procesos:

  1. Empaquetamiento del ADN: la cromatina se condensa para dar lugar a los cromosomas, que pueden ser observados con el microscopio óptico.
  2. Retirada de la envoltura nuclear: la envuelta nuclear es reabsorbida por el retículo endoplásmico rugoso, lo que deja más espacio libre para la división y facilita la unión de los cromosomas a los microtúbulos.
  3. Formación del "huso mitótico" y unión de los cromosomas a los microtúbulos: los microtúbulos son unas estructuras que forman parte del citoesqueleto. Están formadas por la asociación de un gran número de moléculas de una proteína, la tubulina, como si se tratara de una cadena formada por eslabones, de modo que pueden alargarse o acortarse añadiendo o eliminando moléculas de tubulina en sus extremos. Durante la división celular se forma un haz de microtúbulos llamado huso acromático o huso mitótico que es el responsable de la separación de las cromátides en la mitosis o de los cromosomas en la meiosis. Para ello, los microtúbulos se unen por uno de sus extremos a los centrómeros de los cromosomas, y al ir perdiendo "eslabones" de tubulina en el otro extremo se van acortando y, por lo tanto, tirando del material genético. En las células animales, los centrosomas son los orgánulos que se encargan de organizar y controlar el funcionamiento de los microtúbulos.
  4. Separación de las cromátides: los microtúbulos se acortan desde el extremo próximo a los centrosomas, por lo que arrastran a las cromátides, separándolas entre sí. De este modo se garantiza el reparto equitativo del material genético.
  5. Recuperación de la situación inicial: el ADN vuelve a recuperar su estado no condensado y se regeneran las envueltas nucleares alrededor de los dos nuevos núcleos.
Una vez que se inicia la mitosis todos estos procesos ocurren de forma ininterrumpida, pero para describirlos se suele descomponer el proceso de división nuclear en varias fases:

Profase

Durante la profase la cromatina se enrolla y condensa hasta formar cromosomas visibles al microscopio óptico. Ahora se puede apreciar que cada uno de ellos está formado por dos cromátides. Entre tanto, el nucleolo desaparece, porque deja de producirse el ARN que lo forma.

En el exterior del núcleo los centrosomas empiezan a moverse, separándose entre sí. A medida que lo hacen los microtúbulos que los unen se van alargando, de modo que se va formando el aparato mitótico.

Prometafase

La prometafase se caracteriza por la desaparición de la envoltura nuclear. Los cromosomas siguen condensándose, por lo que se observan más cortos y gruesos, y empiezan a relacionarse con microtúbulos que tiran de ellos, haciendo que cambien de posición. Entre tanto, los centrosomas han continuado desplazándose hasta situarse en polos opuestos de lo que antes era el núcleo.


Metafase

Es la fase más larga de la mitosis, llegando a durar unos 20 minutos. Durante ella los cromosomas se mueven hasta situarse en el plano ecuatorial de la célula, es decir, más o menos a la misma distancia de los dos centrómeros.






Anafase

Esta es, en cambio, la fase más corta de la mitosis. Los microtúbulos que se encuentran unidos a los cromosomas se acortan, porque van perdiendo unidades de tubulina en su extremo próximo a los centrómeros. Como consecuencia, las dos cromátides de cada cromosoma se separan entre sí y van siendo arrastradas hacia los dos centrómeros. La fase puede darse por terminada cuando todas las cromátides se sitúan cerca de los centrosomas.

Telofase

En esta etapa se invierten los procesos que habían tenido lugar durante la profase: se regenera la envuelta nuclear, en torno a los dos núcleos, a partir del retículo endoplásmico rugoso y los cromosomas de desespiralizan. Los nuevos núcleos acaban la división con el mismo aspecto que tenía el núcleo de la célula original en el periodo G1: 2n cromosomas formados por una cromátide cada uno de ellos.

Citocinesis

Mientras se está produciendo la division del núcleo los organulos también se están distribuyendo por el citoplasma de modo que, cuando éste se divida, el contenido de las dos nuevas células sea más o menos equilibrado. Las mitocondrias y los cloroplastos tienen la capacidad de reproducirse por sí mismos, utilizando un mecanismo de bipartición similar al de las bacterias, mientras que el resto puede crecer a partir de fragmentos, alcanzando su tamaño final durante el desarrollo de la célula en la fase G1.

La división del citoplasma ocurre de forma diferente en las células vegetales y en las animales. En las primeras, se forma un gran número de vesículas de membrana que ocupan la parte central de la célula y que contienen los componentes de la pared. Todas esas vesículas se fusionan entre sí, lo que hace que la célula se divida en dos células hijas, entre las que se ha depositado una capa de pared.

En las células animales, por su parte, la división del citoplasma se produce por estrangulación: un anillo del citoesqueleto va cerrándose progresivamente por debajo de la membrana, hasta que la separación es total y las células se independizan.



La vida de una célula precursora de los gametos

La reproducción sexual fue una innovación evolutiva para los organismos, porque les proporcionó un mecanismo para incrementar su variabilidad genética. Eso, a su vez, incrementa las posibilidades de sobrevivir de una población de organismos aunque cambien las características de su ambiente.

Podemos suponer que el primer mecanismo de reproducción sexual pudo ser similar a algunos procesos que se dan actualmente en ciertos tipos de hongos: dos células haploides (con una sola copia de cada cromosoma) se fusionan entre sí. Si sus núcleos llegan a unirse se tiene una célula con dos copias para cada gen, por lo que tiene la posibilidad de expresar diferentes alelos, lo que puede beneficiarle en ciertas condiciones ambientales.

Sin embargo, esto crea un problema para el organismo: la célula resultante de la fecundación es diploide, mientras que la original era haploide. Esta nueva célula con una dotación genética diferente (2n) no puede volver a fusionarse, sino que antes debe reducir a la mitad la información que contiene, pero conservando una copia de todos y cada uno de los genes. Este objetivo se logra mediante un proceso denominado meiosis.

En los animales y en las plantas con flores la meiosis se produce solo en un grupo reducido y especializado de células, situadas en los órganos reproductores, y que dan lugar a la formación de células haploides especializadas en la reproducción: los gametos.

Los procesos de la meiosis

Las células que van a empezar una división meiótica tienen una composición genética similar a la del resto de células del organismo que se encuentran en fase G0 o G1: poseen dos copias de cada cromosoma, formadas por una única cromátide. Las células resultantes, los gametos, tendrán solo una copia de cada cromosoma, con una sola cromátide. Para pasar de la primera situación a la segunda ocurren los siguientes procesos:
  1. Duplicación del material genético, igual que ocurre antes de una mitosis.
  2. Condensacion de la cromatina para formar los cromosomas.
  3. Apareamiento de los cromosomas homólogos, que son los que contienen información para los mismos genes. Durante una fase de la división los cromosomas homólogos se sitúan muy cerca uno del otro, perfectamente alineados formando una estructura llamada bivalente (o tetrada, si tenemos en cuenta las cromátides que los forman). Esta estructura va a permitir el siguiente proceso, que es uno de los más importantes de la meiosis por su significado biológico.
  4. Sobrecruzamiento y recombinación genética: una vez que están alineadas, las cromátides de los dos cromosomas homólogos pueden cortarse por el mismo punto y volver a unirse de forma cruzada, dando lugar a cromátides "híbridas", con un fragmento de uno de los cromosomas y otro de su pareja. El sobrecruzamiento es el fenómeno físico que se puede observar, porque en un momento dado las cromátides aparecen cruzadas entre sí, mientras que la recombinación es la consecuencia genética, ya que el resultado del proceso es que se combinen entre sí alelos que antes estaban separados.
  5. Separación de los cromosomas homólogos entre sí, dando lugar a células haploides pero con dos cromátides en cada cromosoma. Estas células aún pueden dividirse mediante una mitosis "normal".
  6. Separación de las cromátides de cada cromosoma.
Las fases de la meiosis

 La meiosis puede describirse como un conjunto de dos divisiones consecutivas entre las cuales no se produce una interfase ni nueva síntesis de ADN. De esas dos divisiones, la que presenta características diferentes es la primera, ya que en ella se separan entre sí cromosomas, y no cromátides.

Interfase previa a la meiosis

La célula arranca su meiosis partiendo de un periodo G1 normal, en el que crece y utiliza sus genes para construir sus estructuras normalmente. A este periodo le siguen una fase S y un periodo G2 también idénticos a los de las células somáticas. Si la célula supera con éxito las comprobaciones que tienen lugar en los puntos de control de G1 y G2 comienza la primera división meiótica.

Primera división meiótica

Profase I

En el exterior del núcleo se divide el centrosoma y se forma el huso, con la migración de los centrosomas hasta situarse en polos opuestos del núcleo. Al final de esta fase la envoltura nuclear se reabsorbe hacia el retículo endoplásmico rugoso.

En el interior del núcleo, entre tanto, el nucleolo desaparece y la cromatina va condensándose para empaquetar el ADN en forma de cromosomas. Mientras lo hace, los cromosomas homólogos se aparean, disponiéndose alineados uno junto al otro. La característica que diferencia esta fase de cualquier otro momento de una división celular es que se observan estructuras formadas por cuatro cromátides (tetradas), es decir, por parejas de cromosomas homólogos (bivalentes) distribuidos por el núcleo. Entre esos cromosomas pueden observarse, en ocasiones, quiasmas, es decir, cruces, que representan el punto en el que las dos cromátides se han cortado y vuelto a unir, formando cromátides recombinantes. Es decir, los puntos donde se cruzan las cromátides o quiasmas son la representación visible de la recombinación.

Esta es la fase más larga de toda la meiosis, e incluso puede incluir un periodo de "parada" cuya duración puede ser de años, como ocurre en la especie humana.

Metafase I

Los bivalentes se disponen en el centro del nucleoplasma, unidos a los microtúbulos del huso acromático, formando la placa ecuatorial. La característica que diferencia esta etapa de una metafase mitótica es que las estructuras que se disponen en la zona ecuatorial son bivalentes, de modo que se observan en ellos cuatro cromátides.




Anafase I

Los microtúbulos del huso acromático tiran de los bivalentes y fuerzan su separación pero, a diferencia de lo que ocurre en la mitosis, los elementos que se separan entre sí son cromosomas completos, con un par de cromátides cada uno de ellas, característica que permite diferenciar esta fase de una anafase mitótica.

Telofase I

Para finalizar la primera división meiótica, los juegos de cromosomas se agrupan cerca de los centrómeros, formando pronúcleos. Las células se dividen, pero la envuelta nuclear no llega a reconstruirse. Para diferenciar esta etapa de la meiosis conviene fijarse en que se observan dos células pequeñas, juntas, cada una de las cuales es haploide, porque todos sus cromosomas son diferentes entre sí.
La transición entre la primera y la segunda división en la meiosis ocurre sin que se produzca una interfase entre ellas.

Segunda división meiótica

La segunda división meiótica es una mitosis en la que se producen los procesos ya analizados para una célula somática en división. La característica que permite diferenciar esta división de una mitosis somática es la composición genética de las células que intervienen: en la meiosis, estas células son haploides, lo que puede apreciarse porque todos los cromosomas son diferentes entre sí, no hay parejas de homólogos.


Importancia biológica de la meiosis: meiosis y genética

Para entender bien la importancia biológica de la reproducción sexual y de la meiosis es conveniente relacionarlas con la genética. Recordemos los cromosomas están formados por ADN, y que este tiene "escrita" la información genética en el orden de los nucleótidos que lo forman. Cada unidad de información genética es un gen, que corresponde a una característica del individuo.

Cada cromosoma tiene un gran número de genes, situados uno tras otro formando una única molécula que es la cromátide, constituida por una doble hélice de ADN. Los cambios accidentales en esa molécula (mutaciones) tienen consecuencias para el individuo, porque alteran sus características, a veces mejorando su capacidad de supervivencia, a veces empeorándola.

Tomemos un ejemplo hipotético para ver cómo influye la meiosis en la generación de variabilidad genética que afecta a la supervivencia de los organismos. Supongamos que Biston betularia, la famosa polilla del abedul, posee tres características que afectan a sus posibilidades de vivir en un bosque contaminado: el color de las alas, porque el negro (mutante) le facilita camuflarse en los troncos oscuros, la capacidad para alimentarse de néctar de flores resistentes a la contaminación y la capacidad de soportar altas concentraciones de gases tóxicos. Frente a esas características podríamos encontrarnos alelos alternativos: alas blancas, incapacidad de alimentarse de flores resistentes e intolerancia a gases tóxicos. Supongamos también que esas características se encuentran codificadas en dos cromosomas diferentes, dos de ellas en el mismo y la tercera en otro cromosoma distinto, y veamos el efecto que la meiosis produce sobre los individuos de la población.

Nuestro ejemplo hipotético parte de dos individuos, uno negro que no puede comer flores resistentes ni soporta los gases tóxicos y el otro blanco pero que puede comer flores resistentes y soportar los gases tóxicos, así que las características ventajosas están repartidas entre ambos. Estos individuos pueden transmitir estos genes a sus descendientes, de modo que al menos algunos de ellos podrán reunirlas todas.

Cuando este individuo sufre meiosis produce gametos con información genética a la que él había recibido de sus progenitores. Incluso sin que se produzca recombinación, los cromosomas procedentes de sus dos padres pueden mezclarse entre sí para dar lugar a nuevas combinaciones de alelos:
En este caso, uno de los gametos solo presenta una de las características ventajosas del individuo, pero hay otro que posee dos de esas características ventajosas, además en una combinación que hasta el momento no se había producido: color oscuro y resistencia a gases tóxicos en el mismo gameto. El número de nuevas combinaciones cromosómicas que puede darse en un gameto es considerablemente alto: 2n, donde n es el número de cromosomas de la especie. Aunque con valores de n bajos esto pueda parecer casi insignificante, si el número de cromosomas es elevado el de combinaciones posibles es enorme. Por ejemplo, en nuestra especie, con n = 23 se tiene que 2n = 8388608.

Pero además hay que tener en cuenta la recombinación, que hace que las nuevas combinaciones de genes sean prácticamente infinitas, ya que permite que se den nuevos reagrupamientos de alelos dentro del mismo cromosoma. La siguiente imagen, por ejemplo, muestra los gametos que se pueden formar en nuestro caso si se produce recombinación entre los dos genes que están en el mismo cromosoma (solo se muestran los recombinantes, a los que habría que añadir las combinaciones no recombinantes de la imagen superior).  Como se ve, aparece un tipo de gametos que reune todas las características negativas, pero también otro que posee todas las características positivas. Esta es la ventaja biológica de la meiosis.