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CICLO CELULAR MITOSIS Y MEIOSIS

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1. CICLO CELULAR O CICLO PROLIFERATIVO CELULAR

El ciclo celular es el proceso ordenado y repetitivo en el tiempo en el que la célula crece y se divide en dos células hijas. Todas las células se originan únicamente de otra existente con anterioridad.

La duración del ciclo celular varía según la estirpe celular y de factores externos como la temperatura y los nutrientes disponibles, siendo la duración media del ciclo completo de unas 24 horas. Las etapas son: G1, S, G2 y la fase M o división celular. Las células que no tienen división se considera que no están en el ciclo celular (G0). También el Ciclo Celular se puede dividir en dos periodos o fases, la interfase (influye a G1, S y G2) y la división celular. Esta última fase incluye a dos diferentes estadios: la Mitosis (división nuclear) y la Citocinesis (división citoplasmática) (Figura 1).

Las células eucariotas, tanto las animales como las vegetales, presentan distinta capacidad de división. Las células que se encuentran en el ciclo celular se llaman células proliferantes (Figura 1) y las que se encuentran en fase G0 se llaman células quiescentes.

Figura 1. Etapas del Ciclo Celular.

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Interfase

Estadio de gran actividad metabólica, los genes están replicándose, se produce la duplicación del DNA y proteínas asociadas. Durante ella se observa el material genético disperso por el núcleo de la célula, constituyendo la cromatina. Como se indicó comprende las fase G1, fase S y fase G2.

Tabla 1. Etapas de la interfase

Etapas CaracterísticasMaterial Genético Tiempo

Duración

G1 "GAP 1" o Intervalo 1)

Periodo de actividad bioquímica intensa. La célula aumenta de tamaño y sus ribosomas, mitocondrias y enzimas, así como otras moléculas y estructuras son sintetizadas "de novo"No hay síntesis de DNA, sí puede haber reparación del DNA dañado.

Las fibras de cromatina (cromosomas) son simples y se le asocia el valor 2c.

Algunas horas(6 a 12), meses o años, aunque en estos dos últimos casos se puede considerar en fase Go.

S "Síntesis"Duplicación del DNA se forman dos copias idénticas del DNA.

Al final de la etapa se le asigna el valor 4c.

Entre 6 y 8 horas.

G2 "GAP 2" o Intervalo 2)

Reparación del DNA dañado y comienza la síntesis de proteínas necesarias para la conformación de la cromatina que inicia lentamente su enrollamiento y compactación. Esto provocará la aparición de los cromosomas (46 en los humanos), que va a permitir la separación del material genético de las células en la mitosis y en la meiosis. Además en las células animales se duplica el par de centríolos. También se inicia el ensamblaje de la estructura del huso mitótico sobre el cual se organizarán los cromosomas.

Los cromosomas son dobles y se les

asocia el valor 4c.

Entre 3 y 5 horas.

La mayoría de los autores reconocen la fase G0 o de Reposo Proliferativo, donde se encuentran aquellas células que no están proliferando (dividiéndose) y experimentan el proceso de diferenciación. Dependiendo de su situación puede revertirse en forma facultativa volviendo al ciclo y de aquí a la mitosis, como sucede con las células hepáticas o hepatocitos. Para aquellas células muy diferenciadas el retorno a la fase de proliferación, es en general, casi imposible, es el caso de las células nerviosas o neuronas.

MITOSIS

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Vicerrectoría AcadémicaEs la división del núcleo (donde las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan), para producir dos células hijas idénticas. Didácticamente se divide en 4 fases (Figura 2).

Profase Metafase Anafase Telofase

Figura Nº 2. Etapas de la Mitosis.

Su significado biológico es obtener células con la misma información genética y que podrían ser utilizadas en la reparación de heridas, crecimiento de órganos y crecimiento del organismo. En

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Vicerrectoría Académicaindividuos unicelulares el proceso de división también existe, y su objetivo es elevar el número de individuos de una población. Es considerado una tipo de reproducción asexuada, pero se conoce por bipartición (la mitosis forma clones).

En la interfase y en la mitosis pueden existir anomalías provocadas por expresión de genes alelos nocivos o por mutaciones inducidas en algún momento que pueden ocasionar variaciones en el ciclo celular, produciendo una serie de enfermedades, como por ejemplo, el cáncer.

Tabla 2. Etapas de la mitosis.

Etapa Mitosis Características

Profase

Inicialmente los cromosomas se encuentran desenrollados (cromatina), iniciando su condensación. Se visualiza el nucléolo. La célula puede contener un par de centríolos (o centros de organización de microtúbulos en vegetales).Los cromosomas se aprecian con las dos cromátidas constituyentes, denominadas cromátidas hermanas, unidas por el centrómero. El nucléolo, desaparece progresivamente, los centríolos comienzan a moverse a los polos de la célula y algunas fibras comienzan a extenderse desde los centrómeros. Hacia el final de la profase la membrana nuclear desaparece completamente y el citoesqueleto, que mantiene la arquitectura interna de la célula se disgrega. Alrededor de cada centrómero aparecen los cinetocoros, estructuras proteicas de anclaje para las fibras de luz.Los centros mitóticos alcanzan los extremos polares y los cromosomas se ubican al azar en el citoplasma y se conectan a los polos a través de las fibras del huso (cinetocóricas). Esto marca el fin de la profase.

Metafase Con las fibras del huso unidas al cinetocoro, los cromosomas pueden ser trasladados. Las fibras del huso son contráctiles y los movimientos cromosomales son el producto de esta tensión, que irradian en direcciones opuestas del cromosoma. Los cromosomas son alineados a lo largo del plano ecuatorial celular. Al alcanzar el ecuador se forma la placa ecuatorial y termina la metafase.

Anafase

Los cromosomas dobles se dividen, separando sus cromátidas hermanas. Esto origina en un momento 92 cromosomas simples en la especie humana, éstos se mueven en sentido opuesto, hacia los polos. El resultado final de este proceso es la presencia de 46 cromosomas simples en las inmediaciones de cada centríolo. Este punto marca el fin de la anafase.Aunque esta etapa es constante, puede ocurrir algún error y la división de un cromosoma puede no ser efectiva o en forma parcial, dando origen a modificación en el cariotipo de los individuos.

TelofaseOcurre la reconstrucción de los núcleos. Cuando las cromátidas, llegan a los polos opuestos de la célula, ya han desaparecido las fibras cinetocóricas. Las fibras polares del huso elongan la célula. Nuevas membranas se forman alrededor de ellos formando 2 núcleos hijos, uno en cada polo. Los cromosomas se desenrollan y ya no son visibles bajo el microscopio óptico. Se observa el nucléolo en cada núcleo.  Las fibras del huso se disgregan. En este momento se observa una célula con dos núcleos, y la citocinesis puede comenzar. Puede que la citocinesis no ocurra y ésto da a lugar a células binucleadas.

Citocinesis o Citodiéresis

La célula tiene dos núcleos y lo usual es que éstos se separen con parte del citoplasma de la célula madre para formar células individuales con una distribución de organelos más o menos equitativa, y que asegure su supervivencia. La mayoría de las separaciones tienen que ser

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Vicerrectoría Académicadinámicas Esta etapa se conoce por citocinesis, citoquinesis o citodiéresis. Esta difiere en células animales y vegetales (Figuras 3 y 4).

En células animales se agrupan filamentos de actina y miosina en el ecuador de la célula constituyendo un anillo contráctil comenzando a angostarse en ese mismo plano provocando un estrangulamiento que origina dos células hijas. Con participación del citoesqueleto, varios organelos se mueven a posiciones opuestas y quedan en situación óptima para el funcionamiento futuro. El tabique de separación se forma desde fuera hacia dentro de la célula (centrípeta) (Figura 3).

En las células vegetales, el tabique que se comienza a formar en la telofase, en la placa ecuatorial, resulta de la acumulación de vesículas procedentes del Aparato de Golgi. Están cargadas con los componentes de la futura pared celular, contienen celulosa no ordenada ni estratificada, asociándose con los microtúbulos residuales del huso mitótico. Estos comienzan a fusionarse desde el centro hacia la periferia de la célula, formándose un tabique o fragmoplasto, en sentido centrífugo (Figura 4).

Figura 3. Formación del anillo contráctil en el proceso de citocinesis de una célula animal.

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Figura Nº 4. Esquema de la formación del fragmoplasto en células vegetales.

2. MEIOSIS

En las células reproductoras sexuales la nueva generación de individuos se origina por fusión de células haploides provenientes de los progenitores. El proceso meiótico es responsable de producir células haploides (n) a partir de células diploides (2n) con ello la meiosis compensa el efecto multiplicador de la fecundación (Figura 5).

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Figura 5. Diploidía y Haploidía en los seres humanos.

En toda célula diploide, cada cromosoma tiene su par y estos pares se conocen como cromosomas homólogos; que se asemejan en tamaño, forma y tipo de información hereditaria que contienen. Uno de los cromosomas homólogos proviene del gameto del progenitor materno y el otro, del gameto del progenitor paterno. Una vez producida la fecundación, ambos homólogos se reúnen en el cigoto. La dotación cromosómica diploide, que contiene los dos homólogos de cada par, se reduce a una dotación haploide que contiene sólo un homólogo de cada par.

En los mamíferos, la meiosis está inscrita en un proceso mayor: la gametogénesis, esto ocurre en las células germinales que se localizan en las gónadas de los individuos.

Las características más destacadas de la meiosis son:

Es una división reduccional en la cual células diploides (2n) originan células haploides (n). Es una fuente de variabilidad genética al producirse nuevas combinaciones en los mismos

cromosomas debido a dos procesos el “crossing over”, y la “permutación cromosómica”, que tienen por consecuencia una ocurrencia muy baja de gametos iguales.

Corresponde a dos divisiones sucesivas con un sólo período replicativo del material genético.

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A continuación se revisarán las fases de la meiosis, insistiendo en cada una de ellas, principalmente en lo que ocurre con el material genético.

MEIOSIS I (Figura 6)

Profase I

Los cromosomas homólogos sinaptan formando las tétradas. Por lo general ocurre crossing- over o entrecruzamiento entre segmentos de cromátidas homólogas.

Metafase I

Los cromosomas homólogos llegan unidos por los quiasmas (lugar donde hubo entrecruzamiento), y se ubican al azar formando la placa ecuatorial.

Anafase I

Se separan los cromosomas homólogos y son movilizados por las fibras del huso hacia polos opuestos.

Telofase I

Alrededor de los cromosomas localizados en cada polo, se reconstruye una carioteca y la cromatina empieza a descondensarse.

CITOCINESIS O CITODIÉRESIS

Casi simultáneamente con la telofase I ocurre la división citoplasmática o citodiéresis. Se forman dos células haploides (n), con sus cromosomas duplicados, por ello 2c.

I N T E R C I N E S I S

Literalmente significa entre divisiones, es un período entre la primera y segunda división meiótica y no hay replicación del material genético.

MEIOSIS II (Figura 6).

Profase II

La cromatina empieza a condensarse, se hacen visibles los cromosomas de dos cromátidas (dobles) y se fragmenta la carioteca.

Metafase II

Los cromosomas dobles se dirigen al ecuador y forman la placa metafásica.

Anafase II

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Vicerrectoría AcadémicaLa tracción ejercida por los microtúbulos del huso insertas en los cinetocoros, ocasionarán la separación de las cromátidas hermanas. Se divide el centrómero, por ello cada cromátida hermana con su centrómero pasa a ser un cromosoma simple y cada uno migra a polos opuestos.

Telofase II

Alrededor de los cromosomas simples (de una cromátida), localizados en cada polo se reconstruye la envoltura nuclear. La cromatina se descondensa.

CITOCINESIS O CITODIÉRESIS

Junto con la telofase II, se realiza la división citoplasmática, formando cuatro células haploides (n), con cromosomas simples de una cromátida, de una molécula de DNA asignándole el valor c.

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Meiosis I

Meiosis I I

Figura 6. Meiosis I y Meiosis II.

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Meiosis y Gametogénesis

La Meiosis es parte de un proceso mayor llamado Gametogénesis (Figura 7), la cual ocurre en las gónadas y tiene por objetivo la formación de gametos haploides, por lo tanto, la gametogénesis y, por ende, la meiosis ocurren solamente en células germinales localizadas en las gónadas de los organismos sexuados. Existe una gametogénesis femenina llamada Ovogénesis y una gametogénesis masculina, la Espermatogénesis.

La ovogénesis y la espermatogénesis tienen algunas diferencias en cuanto a la duración de las etapas, distribución de citoplasma de las células hijas y a la modificación de éstas, pero tienen etapas similares, las cuales se indican a continuación en la tabla 3.

Tabla 3. Paralelo entre la Gametogénesis Femenina y Masculina.

Etapas de la Gametogénesis

Ovogénesis Espermatogénesis

Multiplicación

Ocurre solamente en la etapa embrionaria. En esta etapa las células germinales primordiales (CPG) dan origen a los ovogonios (2n y 2c)

Comienza en la etapa embrionaria pero se detiene, para continuar en la pubertad. En esta etapa las CPG dan origen a los espermatogonios (2n y 2c)

Crecimiento

Ocurre solamente en la etapa embrionaria. En esta etapa los ovogonios se transforman en ovocitos I (2n y 4c)

Continúa en la pubertad. En esta etapa los espermatogonios se transforman en espermatocitos I (2n y 4c)

Maduración

La primera parte de la maduración ocurre en la etapa embrionaria, el feto femenino forma ovocitos I que quedan latentes en profase I en el momento de nacer y así pueden permanecer muchos años.De 10 años hasta 55 o 60 años, que es más o menos el tiempo que puede transcurrir para que por efecto hormonal, se reinicie la Meiosis en cada ciclo ovárico, por lo tanto en cada ovulación la mujer da origen a un ovocito II (n y 2c) (detenido en Metafase II) y un polocito I, estas últimas células son útiles solo para la reducción cromosómica y rara vez se dividen. La segunda división meiótica del ovocito II solo finaliza cuando hay Fecundación dando por resultado un único gameto llamado óvulo (n y c).

Comienza en la pubertad y es un proceso continuo durante el resto de la vida del varón.Su duración es de solo semanas (6 a 8 semanas).

La primera división meiótica da por resultado 2 células hijas llamadas espermatocitos II (n y 2c), luego estas células experimentan su segunda división meiótica y originan 4 células haploides de pequeño tamaño, pero iguales entre sí denominadas espermátidas (n y c).

Finalmente las espermátidas experimentan un cuarto proceso llamado espermiohistogénesis, el cual consiste en un cambio morfológico, para transformar a las espermátidas en espermatozoides (n y c).

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Figura 7. Gametogénesis masculina y femenina

Meiosis y Variabilidad Genética

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óvulo

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En la Profase I ocurre el entrecruzamiento de cromátidas homologas (crossing-over) en el cual los cromosomas intercambian material genético, contribuyendo a la variabilidad genética.

En la Metafase I, los pares de cromosomas homólogos se ubican al azar en la placa metafásica, esta orientación al azar de los cromosomas maternos y paternos, respecto a los polos celulares determinarán su migración anafásica. Este fenómeno se denomina permutación cromosómica.

La permutación cromosómica es inherente a la segregación de los cromosomas homólogos de la meiosis y genera distintas posibilidades de distribuciones cromosómicas en las células resultantes. En una célula meiótica, el número de posibles distribuciones cromosómicas depende del número de pares cromosómicos distintos. Aquel valor equivale a 2n. Por ejemplo si una célula tiene una dotación cromosómica completa de 6, el número de pares distintos son 3. El cálculo del número de distribuciones distintas sería 23 = 8.

¿Cuántas posibilidades de distribuciones cromosómicas podrían producirse en el ser humano (223)?, ¿Cómo influye lo anterior en la dotación cromosómica de los hijos de una pareja?

En la fecundación se produce la unión de los gametos o células sexuales lo que provoca los siguientes efectos:

se determina el sexo del individuo se restablece el número diploide de cromosomas (2n y 2c), y se logra en el cigoto una composición genética distinta a la de sus padres, porque se une

material genético de dos estirpes distintas, y en la formación de estos gametos, que dan origen al cigoto ocurrieron dos eventos importantes que contribuyeron a la variabilidad genética: el crossing-over y la permutación cromosómica.

Finalmente, este proceso se expresa en individuos tan diversos como animales, plantas, hongos, algas y protozoos, hecho que permite inferir que la meiosis se estableció muy temprano en la evolución de las especies, como una adaptación de la mitosis para la reproducción y variabilidad de los organismos sexuados. En definitiva, la meiosis fue “seleccionada” positivamente haciendo posible la diversidad de los individuos que la presentaron y que consecuentemente les permitieron adaptarse a su vez a condiciones ambientales diversas.

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