Biología de preparatoria

Clasificación de la reproducción celular

Tipos de reproducción en los seres vivos

Figura 1. El protista Paramecium produce asexualmente dos organismos nuevos independientes.

Una de las características de la vida es la habilidad de los organismos vivos para reproducirse; con la reproducción se da origen a descendientes con características iguales; por ejemplo, los elefantes producen elefantes pequeños, los robles generan robles jóvenes y las bacterias generan más bacterias. Los procesos para que esto ocurra son diversos, pero se logra en todos ellos la perpetuación de los genes de los progenitores.

Todos los organismos vivos se reproducen ya sea asexual o sexualmente. Los que se reproducen asexualmente producen clones, es decir, una descendencia que es genéticamente idéntica a ellos mismos, por lo tanto, en la reproducción asexual, un solo individuo es el único padre y transmite copias de todos sus genes a su descendencia .

Figura 2. Las bacterias se reproducen al dividirlas en dos.

Los organismos eucariontes y procariontes unicelulares pueden reproducirse asexualmente por una división celular mitótica, en la Los organismos eucariontes y procariontes unicelulares pueden reproducirse asexualmente por una división celular mitótica, en la cual el ADN es copiado y repartido equitativamente en sus dos células hijas. De la misma manera, algunos organismos eucariontes multicelulares también son capaces de reproducirse asexualmente.

Figura 3. La hydra se reproduce a partir de brotes.

Si observas a los miembros de la familia (figura 5), puedes notar algunas características que comparten los padres con los hijos. La transmisión de los rasgos de una generación a la siguiente es llamada herencia. Sin embargo, los hijos y las hijas no son copias idénticas de los padres o de sus hermanos, lo cual es la base de la reproducción sexual.

Figura 4. Gametos masculino (espermatozoide) y femenino (óvulo)

En la reproducción sexual dos padres originan una descendencia que tiene combinaciones únicas de genes provenientes de ambos padres, lo cual se denomina variación genética y es una consecuencia importante de la reproducción sexual. La reproducción sexual involucra a las células germinativas, llamadas gametos. Después de que el gameto masculino (espermatozoide) se une con el gameto femenino (óvulo) en la fecundación, la célula resultante contiene un conjunto de cromosomas de cada progenitor. Los gametos se forman por un mecanismo llamado meiosis, el cual trataremos más adelante.

Figura 5. Familia

Estructuras bioquímicas involucradas en la reproducción celular

La información que se hereda de una célula a otra se encuentra en las moléculas de ácido desoxirribonucleico o ADN. Tras utilizar los datos de difracción de rayos X (obtenidos por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins), Watson y Crick propusieron el modelo de la doble hélice de ADN, la cual consiste de dos cadenas de nucleótidos, enrolladas en espiral, una alrededor de la otra y con dirección antiparalela.

Figura 6. Doble hélice de ADN

Las dos cadenas se conservan unidas mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de una cadena y sus correspondientes bases en la otra (Karp,2010). Como mencionamos, cada cadena de ADN consta de unidades llamadas nucleótidos. Un nucleótido tiene tres elementos: un grupo fosfato, un azúcar de cinco átomos de carbono (desoxirribosa) y una de cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) o guanina (G). Debido a que una A en una cadena está siempre unida a una T en la otra cadena, y una G a una C, se dice que las dos cadenas de la doble hélice son complementarias entre sí.

Figura 7. Estructura química parcial del ADN

En las células eucariontes el ADN se encuentra asociado a histonas y otras proteínas. Cuando la célula no está en división celular, el ADN junto con las proteínas forman una estructura llamada cromatina, que no es visible al microscopio, mientras que durante la división celular, la cromatina se condensa para formar unas estructuras celulares llamadas cromosomas. En los cromosomas el ADN se encuentra organizado en altos niveles de empaquetamiento (figura 1.9). En cambio, el cromosoma de las bacterias es usualmente una molécula de ADN circular con algunas proteínas asociadas, que componen al nucleoide de la célula.

Figura 8. Empacamiento del ADN

Los genes, las unidades de la herencia, son segmentos de ADN que están constituidos por cientos a miles de nucleótidos. Las secuencias concretas de nucleótidos de los genes detallan las instrucciones para formar las proteínas de una célula.

Ciclo celular

La habilidad de los organismos para producir más de su especie es una de las características que mejor distinguen a los organismos vivos de los organismos inertes. Esta única capacidad para procrear tiene una base celular. Rudolf Virchow, un físico alemán, postuló en 1855: donde una célula existe, debió existir una célula preexistente. Por lo tanto, la continuidad de la vida se basa en la reproducción de las células, o división celular.

Además, la división celular juega importantes papeles en la vida. El crecimiento de una célula, la reproducción asexual, la renovación y reparación de tejidos, el desarrollo embrionario son algunos ejemplos de procesos que requieren la formación de nuevas células.

El proceso de división celular es parte integral del ciclo celular, es decir, la vida de una célula desde su formación hasta dividirse en dos células hijas. Una función crucial de la división celular es la transmisión del material genético idéntico de la célula a su descendencia.

El ciclo celular eucarionte está dividido en dos fases importantes: interfase y mitosis o propiamente la división celular.

Interfase

Figura 9. Estructura de un cromosoma eucarionte

Antes de que la célula se divida en dos células hijas, es necesario que el ADN se replique, es decir, que cada cromosoma sea convertido de una sola molécula de ADN a dos moléculas idénticas de ADN, llamadas cromátidas hermanas.

La replicación del ADN ocurre en la interfase, la cual se caracteriza por ser un periodo muy activo en la vida de una célula, donde además de la replicación del ADN también ocurren otras reacciones metabólicas importantes, tales como la síntesis de proteínas y el incremento en el número de mitocondrias y cloroplastos.

La interfase se subdivide en tres fases: la fase G , la fase S y la fase G (figura 1.15). En la fase S la célula replica el material genético en su núcleo. Algunas células no llevan a cabo el ciclo celular porque una vez que se han originado no necesitan dividirse y en lugar de entrar en pasan temporal o permanentemente a una fase de reposo metabólico llamada G.

Figura 10. Ciclo celular eucarionte. El ciclo celular eucarionte consta de interfase y mitosis. La interfase comprende G1: crecimiento y diferenciación celular; S: síntesis de ADN; G2: crecimiento y preparación para la división celular.

Mitosis

Las nuevas células, genéticamente idénticas a la célula madre, son creadas a través de un proceso llamado mitosis que involucra la división del núcleo celular eucariótico para formar dos núcleos genéticamente idénticos. Por lo tanto, la mitosis permite a la célula dividirse en dos células hijas idénticas. Después de la división celular, las células hijas vuelven a crecer y dividirse, o bien se diferencian y se especializan en determinadas funciones, como la contracción muscular (células musculares), el combate de infecciones (leucocitos) o la producción de enzimas digestivas (células del páncreas y el hígado). Este esquema repetido de división, crecimiento y diferenciación y luego nueva división se llama ciclo celular.

Aunque la mitosis es un proceso continuo, está dividida en cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase.

Profase

Los cromosomas se compactan y acortan por un proceso llamado súper enrollamiento. Inicia la formación de los microtúbulos del huso mitótico. Al final de la profase la membrana nuclear empieza a fragmentarse (figura 1.16).

Metafase

Los microtúbulos del huso mitótico se enlazan a los centrómeros de cada cromo- soma para posicionar a las cromátidas hermanas en el ecuador de la célula en un “juego de estira y afloja”.

Anafase

Al inicio de la anafase el huso mitótico separa a las cromátidas hermanas y las posiciona en los polos opuestos de la célula. Ahora las cromátidas hermanas se con-vierten en cromosomas independientes. De esta manera la mitosis produce dos núcleos genéticamente idénticos.

Telofase

Como los cromosomas hijos son copias idénticas de los cromosomas originales, cada agrupamiento de cromosomas que se forma en los polos opuestos de la célula contiene una copia de todos los cromosomas que estaban en la célula progenitora. En esta etapa final de la mitosis los microtúbulos del huso se desensamblan y desaparecen y se forma una envoltura nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas

Figura 11. Mitosis y citocinesis

El proceso final de la división celular es llamado citocinesis. Usualmente inicia después de la mitosis y ocurre de manera distinta en las células animales y en las células vegetales. En las células animales la membrana celular es contraída hacia dentro de la célula justo en el ecuador (a la mitad de la célula) para formar un surco de segmentación. Además, dos proteínas contráctiles, la actina y la miocina, ayudan a la completa segmentación de la célula madre para dar origen a dos nuevas células hijas.

En las células vegetales las vesículas se mueven hacia el ecuador de la célula, donde éstas se fusionan entre sí para formar estructuras tubulares que darán origen a dos capas de membrana a lo ancho del ecuador, las cuales se convertirán más tarde en las membranas plasmáticas de las células hijas rodeando todo el citoplasma hasta la completa división del mismo.

Posteriormente, las pectinas y otras sustancias como la celulosa, contenidas en las vesículas, son depositadas por exocitosis entre las dos membranas recién formadas, lo cual dará origen a las paredes celulares de las nuevas células hijas.

Ciclo celular de los procariontes

El ciclo celular de procariontes consiste en un periodo relativamente largo de crecimiento, donde la célula también duplica su ADN, seguida por una forma de división celular (figura 1.19) llamada fisión binaria, que significa “dividirse en dos”. Como la replicación del ADN produce dos moléculas idénticas de ADN, las dos células hijas son genéticamente idénticas una a la otra y a la célula madre. En condiciones óptimas de temperatura, pH, concentración de nutrientes y sales, la división binaria de las células procariontes ocurre rápidamente.

Figura 12. Ciclo celular procarionte
  1. La célula duplica su ADN y las dos dobles hélices se unen a la membrana plasmática en lugares cerca- nos.
  2. La membrana plasmática se alarga y se separan las moléculas de ADN.
  3. Inicia la formación de la pared celular y de la membrana plasmática entre los puntos de unión.
  4. La membrana plasmática crece hacia dentro en la mitad de la célula y se completa la pared celular.
  5. La célula madre se divide en dos células hijas.

Control del ciclo celular

Muchas células de nuestro cuerpo, como las de la mucosa gástrica y la piel, se dividen durante toda nuestra vida. Otras, como las del hígado o los glóbulos blancos de la sangre, se dividen sólo en respuesta a estímulos (daño a un tejido o una infección). Otras más, como las del cerebro y el corazón nunca se dividen en un adulto. Sin embargo, todas las células tienen mecanismos muy estrictos que regulan su proceso de división celular e indican a la célula cuándo debe dividirse y cuándo no es necesaria su división.

Figura 13. Puntos de control en el ciclo celular eucariótico

Un número increíble de moléculas de naturaleza proteica controlan el ciclo celular, las más estudiadas a la fecha son proteínas llamadas ciclinas y cinasa dependientes de ciclina. Estas proteínas actúan en tres puntos clave o puntos de control durante el ciclo celular de una célula (figura 1.20) (Audesirk, 2013).

Cáncer

Un control incorrecto de la verificación en el ciclo celular es una causa importante de cáncer. Las células cancerosas se dividen excesivamente, ya que no ponen atención a las señales de regulación del ciclo celular. La base de estas células anormales es frecuentemente un cambio o mutación en uno o más genes que alteran la función de sus productos proteicos, resultando en una falla en el control del ciclo celular. Además, las células cancerosas evaden los controles normales que indican a una célula que debe morir cuando ocurrió algún daño en su ADN.

El sistema inmune del cuerpo normalmente reconoce a las células cancerosas como un intruso y las destruye; sin embargo, si la célula evade la destrucción, puede proliferar y formar un tumor, es decir, una masa de células anormales. Las células anormales pueden permanecer en el lugar de inicio si es que tienen pocas alteraciones genéticas, en este caso es llamado tumor benigno, el cual no causa serios problemas de salud y puede retirarse con cirugía. En contraste, un tumor maligno incluye células con grandes alteraciones genéticas que las hace capaz de invadir nuevos tejidos y dañar las funciones de otros órganos.

Cuando un individuo tiene un tumor maligno se dice que padece cáncer (Reece et.al., 2009).

Meiosis y el ciclo de vida sexual

Hay una gran cantidad de organismos muy exitosos que se reproducen asexual- mente. Por ejemplo, los mohos penicillium (que sintetizan penicilina) y Aspergillus niger (manufactura comercial de vitamina C). El pasto y la hierba se reproducen mediante brotes del tallo o la raíz. Sin lugar a dudas es muy importante la reproducción asexual, pero entonces, ¿por qué tantos organismos se reproducen sexualmente? La respuesta es sencilla, porque la reproducción asexual, o sea la mitosis, sólo produce descendientes celulares genéticamente idénticos a la célula madre. Por el contrario, en la reproducción sexual (meiosis) se combinan los genes de los padres para producir descendientes únicos desde el punto de vista genético, lo cual constituye una ventaja evolutiva.

La meiosis es el mecanismo que permite a los organismos eucariontes reproducirse sexualmente. La meiosis (que proviene de la palabra griega que significa “disminuir”) reduce a la mitad el número de cromosomas de una célula diploide. Por ejemplo, las células humanas precursoras de los espermatozoides u óvulos tienes 23 pares de cromosomas (células diploides), y cuando éstas se dividen a través de la meiosis dan origen a gametos (espermatozoides y óvulos) con 23 cromosomas, uno de cada par (células haploides). La meiosis evolucionó a partir de la mitosis, así que la mayoría de los acontecimientos que ocurren en ambas son muy parecidos.

Figura 14. Fases de Mitosis y Meiosis

A diferencia de la mitosis, en la meiosis ocurren dos divisiones nucleares (figura1.21). La primera, llamada meiosis I, separa los pares de cromosomas homólogos y envía uno de cada par a las nuevas células hijas. Ahora bien, cada cromosoma homólogo sigue constando de dos cromátidas. En la segunda división, llamada meiosis II, las células hijas nuevamente se dividen y las cromátidas hermanas se separan. Por lo tanto, al final de la meiosis hay cuatro células haploides hijas. A continuación se describen detalladamente las etapas de la meiosis.

Meiosis I

Profase I

Los cromosomas duplicados se condensan. Se da un mecanismo de entrecruzamiento entre pares de cromosomas homólogos. La envoltura nuclear desaparece y se forman los microtúbulos del huso.

Metafase I

Los cromosomas homólogos se alinean en el ecuador de la célula a través de la unión de éstos con los microtúbulos del huso.

Anafase I

Los cromosomas homólogos de cada par se separan y son dirigidos a polos opuestos de la célula.

Telofase I

Desaparecen los microtúbulos del huso. Se forman dos conjuntos de cromosomas, uno por cada nueva célula hija. Cada uno contiene un miembro de cada par de homólogos. La citocinesis ocurre simultáneamente con la telofase I, formando dos células haploides hijas.

Figura 15. Meiosis y citocinesis

Meiosis II

Profase II

Un huso mitótico se forma. Los cromosomas, cada uno compuesto por dos cromátidas hermanas, se asocian a los centró- meros para desplazarse hacia el ecuador de la célula.

Metafase II

Los cromosomas son posicionados en el ecuador de la célula. Debido al entrecruzamiento en la meiosis I, las cromátidas hermanas no son genéticamente idénticas. Los microtúbulos del huso se unen a los centrómeros de cada cromátidas hermanas extendiéndolas hacia los polos opuestos de la célula.

Anafase II

Las cromátidas hermanas son desplazadas a los polos opuestos de la célula como cromosomas individuales.

Telofase II

Se forma el núcleo, los cromosomas empiezan a condensarse y ocurre la citocinesis. La división meiotica de una célula parental produce cuatro células hijas haploides. Las cuatro células hijas son genéticamente distintas una de la otra y de la célula parental.

En algunas ocasiones ocurren errores en la meiosis, llamados no disyunción, los cuales pueden afectar el número de cromosomas sexuales o de autosomas. Es posible que los cromosomas homólogos no se separen durante la meiosis I o que las cromátidas hermanas no se aparten durante la meiosis II (figura 1.23). Cuando cualquiera de estas situaciones se presenta, se forman gametos que contienen una cantidad anormal de cromosomas, ya sea un cromosoma de más o uno de menos.

Figura 16. Meiosis II y citocinesis

En la mayor parte de los casos el cigoto se convierte en un embrión anormal que muere en algún momento de su gestación, sin embargo, en algunos casos el cigoto se desarrolla hasta convertirse en un lactante cuyas células tienen un número anormal de cromosomas, lo que se conoce como aneuploidia.

El complemento cromosómico normal de los humanos es veintitrés pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales representados como X y Y. Las aneuploidias tienen un trasfondo genético que se manifiesta fenotípicamente en los individuos afectados, como un síndrome con características específicas. El síndrome de Down o Trisomía 21 es una de las aneuploidias más comunes y más conocidas en la población, en la cual se ve afectado el número de autosomas. En aproximadamente uno de cada 900 nacimientos, el hijo hereda una copia de más del cromosoma 21. Los niños con síndrome de Down tienen varias características físicas distintivas, como tono muscular débil, boca pequeña y una forma peculiar de los ojos. Defectos más graves son: poca resistencia a las enfermedades infecciosas, malformaciones del corazón y retraso mental. En las tablas que se presenta a continuación se mencionan los síndromes más comunes en los que se ve afectado el número de cromosomas sexuales, es decir, los cromosomas X y Y.

Avances científico-tecnológicos en el campo de la reproducción celular y sus implicaciones en la sociedad

Clonación

La clonación es la producción de uno o más organismos (clones) genéticamente idénticos a otro. Las ranas fueron los primeros animales clonados en la década de 1950. En 2005, investigadores de la Universidad Nacional de Corea del Sur produjeron a Snuppy, un sabueso afgano clonado y posteriormente produjeron tres clones más de perros. Algunos de éstos son “copias” del mejor perro rastreador de drogas de Corea del Sur.

El ganado valioso es otro animal favorito de la clonación. En 2006 la empresa ViaGen, en Texas, clonó el caballo Scamper, 10 veces campeón mundial de carreras de barriles.

Células madre

Son aquellas células que tienen la capacidad de formar un organismo completo o estructuras de nuestro organismo y que se pueden renovar nuevamente y en al- gunas otras se autolimitan. El linaje de células madre es el siguiente: totipotente, pluripotente, multipotente (ver glosario).

La enfermedad de Parkinson (EP) es una patología que mata o daña las neuronas en el cerebro. Éstas controlan los movimientos musculares mediante un neurotransmisor denominado dopamina, que lleva mensajes entre las neuronas. Además de los problemas de control muscular, las personas que padecen la enfermedad experimentan dificultades de rigidez, equilibrio y coordinación muscular. Al comienzo, los síntomas no son notorios, pero empeoran con el tiempo. En la actualidad no se conoce cura para esta enfermedad. Los científicos desconocen las causas de la EP. Algunos casos se han asociado a la mutación de genes, la aparición de proteínas en las células cerebrales y a factores ambientales.

Recientemente, los científicos experimentaron con células madre para reemplazar las neuronas cerebrales perdidas o dañadas a causa de la EP. Los científicos del estudio trabajaron en la creación de células madre a partir de células de la piel de los pacientes con EP.

Estas células madre podrían emplearse para producir neuronas que produzcan dopamina. Mediante procedimientos quirúrgicos, los médicos podrían implantar en el cerebro las neuronas recién creadas. Dado que las células madre provienen del cuerpo del paciente, el sistema inmune no las rechazaría, como ocurre con las células o con los órganos donados por otra persona.

La investigación sobre células madre está en sus prime- ras etapas con un estudio piloto que usa monos Rhesus como pacientes. Los científicos esperan que su trabajo ayude a aliviar algún día los síntomas que hacen de la EP una enfermedad devastadora (Biggs et al., 2012).

Empleo de la Biotecnología para corregir defectos genéticos en embriones de seres humanos

¿Debería permitirse que los padres seleccionen y/o cam- bien los genomas de sus descendientes? El 4 de julio de
1994 nació en Colorado una niña con anemia de Fanconi, un trastorno genético que es mortal si no se realiza un trasplante de médula ósea. Sus padres querían tener otro hijo que pudiera donar las células de médula ósea a su hermana, por lo que buscaron la ayuda de Yury Verlinsky del Instituto de Genética Reproductiva en Estados Unidos. Verlinsky utilizó los gametos de ambos padres para crear docenas de embriones en cultivos. Los embriones fueron sometidos a pruebas para detectar el defecto genético y para verificar la compatibilidad con los tejidos de su hija. Verlinsky escogió un embrión con el fenotipo deseado y lo implantó en el útero de la madre. Nueve meses después nació un niño. La sangre del cordón umbilical proporcionó las células para el trasplante de médula ósea para su hermana. Finalmente, con este procedimiento la niña quedó curada

¿Es ético hacer esto si es la única manera de salvar la vida de otro niño? La tecnología actual permite a los médicos seleccionar entre los embriones existen- tes y no cambiar su genoma. Pero hay tecnologías que alteran el genoma de los organismos. ¿Qué pasaría si la Biotecnología pudiera cambiar los genes del óvulo fecundado? Todavía no es posible, pero con seguridad sucederá en un futuro muy próximo

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2015). Biología II. Ciudad de México.