Conceptos de Genética Klug 10a Edición - PDF -

C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 21 n cada ser vivo hay una sustancia que se denomina óptico. Alrededor de 1940, el microscopio electrónico se en­ £ material genético....

C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 21 n cada ser vivo hay una sustancia que se denomina óptico. Alrededor de 1940, el microscopio electrónico se en­ £ material genético. Excepto en ciertos virus, este contraba en sus primeras fases de desarrollo y hacia 1950, se material esta compuesto del ácido nucleico, ADN. pudieron desvelar muchos detalles ultraestructurales de la El ADN tiene una estructura lineal subyacente que célula. Con el microscopio electrónico se vio que las célu­ posee segmentos denominados genes, el producto las eran estructuras altamente variables y muy organizadas, de los cuales dirige las actividades metabólicas de las células. cuya forma y función dependen de la expresión genética es­ El ADN de un organismo, con su batería de genes, está pecífica realizada por cada tipo de célula. Apareció un nuevo organizado en estructuras denominadas cromosomas que mundo de membranas retorcidas, orgánulos, microtúbulos, sirven de vehículo para la transmisión de la información gránulos y filamentos. Estos descubrimientos revoluciona­ genética. El modo en que los cromosomas se transmiten de ron la forma de pensar en todo el campo de la biología. Mu­ una generación celular a la siguiente, y de los organismos a sus chos componentes celulares, como los nucléolos, ribosomas descendientes, tiene que ser extraordinariamente preciso. En y centríolos, tienen que ver, directa o indirectamente, con este capítulo analizaremos cómo se mantiene exactamente la los procesos genéticos. Otros componentes, las mitocon­ continuidad genética entre células y organismos. drias y cloroplastos, contienen su propia información ge­ Hay dos procesos implicados en la continuidad genética de nética distintiva. Aquí, nos centraremos principalmente en las células nucleadas: la mitosis y la meiosis. Aunque el meca­ aquellos aspectos de la estructura celular relacionados con nismo de ambos procesos es similar en muchos aspectos, los el estudio genético. En la Figura 2.1 se representa una cé­ resultados son totalmente diferentes. La mitosis conduce a la lula animal típica, con muchas de las estructura de las que producción de dos células, cada una de ellas con un número de hablaremos. cromosomas idéntico al de la célula paterna. Por el contrario, Todas las células están rodeadas por una membrana la meiosis reduce la cantidad de material genético y el número de cromosomas exactamente a la mitad. Esta reducción es esen­ plasmática, que es una cubierta externa que define los lí­ cial a fin de que la reproducción sexual se lleve a cabo sin dupli­ mites celulares y delimita a la célula respecto de su ambien­ car la cantidad de material genético en cada nueva generación. te externo inmediato. No es una membrana pasiva, sino que Estrictamente hablando, la mitosis es aquel periodo del ciclo regula activamente el paso de sustancias desde el exterior y celular durante el cual los componentes hereditarios se reparten hacia el exterior de la célula. Además de esta membrana, las equitativamente entre las células hijas. La meiosis forma parte células vegetales tienen una cubierta externa llamada pared de un tipo especial de división celular que da lugar a la produc­ celular, cuyo componente principal es un polisacárido de­ ción de células sexuales: gametos o esporas. Este proceso es un nominado celulosa. paso esencial en la transmisión de la información genética de Muchas de las células animales, si no la mayoría de ellas, un organismo a sus descendientes. tienen una cubierta por encima de la membrana plasmáti­ Normalmente, los cromosomas son visibles únicamente ca, denominada glicocálix o cubierta celular. Compuesta durante la mitosis y la meiosis. Cuando las células no están di­ por glicoproteínas y polisacáridos, esta cubierta tiene una vidiéndose, el material genético que constituye los cromoso­ composición química que difiere de otras estructuras com­ mas se despliega y desespiraliza, dando lugar en el interior del parables en las plantas o bacterias. El glicocálix, en otras núcleo a una red difusa, que en general se denomina cromati­ funciones, proporciona identidad bioquímica a la superfi­ na. Antes de describir la mitosis y la meiosis, revisaremos bre­ cie celular, y los componentes de la cubierta que establecen vemente la estructura de las células, haciendo hincapié en los la identidad celular se encuentran bajo control genético. Por componentes que tienen especial significado para la función ejemplo, varios marcadores de identidad que puede haber genética. También compararemos las diferencias estructu­ oído nombrar —los antígenos AB, Rh y MN— se encuen­ rales entre las células procariotas (no nucleadas) de las bac­ tran en la superficie de los glóbulos rojos, entre otros tipos terias y las células eucariotas de los organismos superiores. de células. En la superficie de otras células están presen­ Posteriormente, dedicaremos el resto del capítulo al compor­ tes los antígenos de histocompatibilidad, que inducen una tamiento de los cromosomas durante la división celular. respuesta inmune en los trasplantes de tejidos y órganos. p Q | Además, cierto número de moléculas receptoras pueden encontrarse también en la superficie de las células. Es­ L a e s t ru c tu r a de la cé lu la tas moléculas actúan como lugares de reconocimiento que e s t á ín tim a m e n te lig a d a transfieren hacia la célula señales químicas específicas a tra­ vés de la membrana celular. con la fu n ció n g e n é tic a Los organismos vivos se clasifican en dos grupos prin­ Antes de 1940, nuestro conocimiento de la estructura celu­ cipales, dependiendo de si sus células contienen o no lar se limitaba a la información obtenida con el microscopio un núcleo. La presencia de un núcleo y otros orgánulos 22 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A Núcleo Ribosoma adherido Envuelta nuclear Retículo endoplasmático rugoso Nucléolo Cromatina Membrana plasmática Poro nuclear Lisosoma Glicocálix Retículo Ribosoma libre Aparato de Golgi Mitocondria FIG U R A 2.1 Esquema de una célula animal típica. Se destacan los componentes celulares presentados en el texto. membranosos es la característica distintiva de los organis­ en las eubacterias siendo el otro grupo otras bacterias más mos eucariotas. El núcleo de las células eucariotas es una es­ antiguas a las que se denomina archaea. En las eubacterias, tructura encerrada en una membrana que alberga el material como Escherichia coli, el material genético se presenta en genético, el ADN, asociado a un gran número de proteínas forma de una larga molécula circular de ADN, compactada ácidas y básicas dispuestas en fibras delgadas. En los periodos en un área sin ningún tipo de envoltura, denominada nu­ del ciclo celular en los que no hay división, estas fibras se en­ cleoide. Parte del ADN puede estar unido a la membrana cuentran dispersas y desespiralizadas, formando la cromatina celular, pero en general el nucleoide abarca una extensa área (como hemos dicho anteriormente). Durante la mitosis y la de la célula. Aunque el ADN está compactado, no sufre la meiosis, la fibras de cromatina se espiralizan y se condensan gran espiralización característica de los estadios mitóticos, para formar cromosomas. En el núcleo también se encuentra que es cuando los cromosomas de los organismos eucario­ el nucléolo, un componente amorfo, en el que se sintetiza el tas se hacen visibles. Tampoco el ADN de estos organismos ARN ribosómico y en donde ocurren las primeras fases del está asociado tan ampliamente a proteínas como el ADN ensamblaje de los ribosomas. Las regiones del ADN que co­ de los organismos eucariotas. En la Figura 2.2 se muestra difican el ARN ribosómico (ARNr) se denominan colectiva­ la formación de dos bacterias por división celular, ilustran­ mente región organizadora nucleolar o ÑOR. do las regiones nucleoides que albergan a los cromosomas Los organismos procariotas, de los cuales hay dos gru­ bacterianos. Las células procariotas no tienen un nucléolo pos principales, carecen de cubierta nuclear y de orgánulos diferenciado, pero sí que contienen genes que codifican mo­ membranosos. De cara a nuestro análisis, nos centraremos léculas de ARNr.  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 23 nuestro planeta. Tanto las mitocondrias como los cloroplas­ tos tienen un tipo de ADN distinto del que se encuentra en el núcleo. Además, estos orgánulos pueden autoduplicar- se, transcribir y traducir su información genética. Es intere­ sante advertir que la maquinaria genética de mitocondrias y cloroplastos se parece muchísimo a la de las células pro­ cariotas. Esta y otras observaciones han llevado a proponer que estos orgánulos fueron tiempo atrás organismos primi­ tivos de vida libre que establecieron relaciones simbióticas con una célula eucariótica primitiva. Esta teoría, que se re­ fiere al origen evolutivo de estos orgánulos, se denomina la hipótesis endosimbiótica. Las células animales y algunas vegetales tienen también un par de estructuras complejas llamadas centríolos. Estos FIG U R A 2.2 Micrografía electrónica con intensificación de color cuerpos citoplásmicos, que se encuentran en una región es­ de E. coli durante la división celular. Son particularmente visibles pecializada denominada centrosoma, están asociados con las dos áreas cromosómicas (mostradas en rojo) denominadas nucleoides, que han sido divididas entre las dos células hijas. la organización de las fibras del huso, que actúan en la mito- sis y en la meiosis. En algunos organismos, el centríolo deri­ va de otra estructura, el cuerpo basal, que está asociado con Excluyendo al núcleo, el resto de la célula eucariota que la formación de cilios y flagelos (estructuras con forma de queda rodeada por la membrana plasmática se denomina filamento y de látigo para propulsar a las células o a los ma- citoplasma e incluye diversos orgánulos celulares extranu- treiales móviles). Durante años se ha sugerido en muchas cleares. En el citoplasma, una sustancia coloidal, sin partí­ publicaciones que los centríolos y los cuerpos basales tie­ culas, denominada citosol, rodea y engloba a los orgánulos nen ADN, que estaría implicado en la duplicación de estas celulares. El citoplasma incluye también un amplio sistema estructuras. Esta idea está todavía siendo investigada. de túbulos y filamentos que forman el citoesqueleto, que La organización de las fibras del huso por los centrío­ proporciona un entramado de estructuras de soporte den­ los se lleva a cabo en las primeras fases de la mitosis y de la tro de la célula. Constituido principalmente por microtú- meiosis. Estas fibras desempeñan un papel importante en bulos, que están formados por la proteína tubulina, y por el movimiento de los cromosomas cuando se separan en la microfilamentos, que derivan de la proteína actina, este ar­ división celular. Están compuestas de racimos de micro- mazón estructural mantiene la forma de la célula, facilita la túbulos, formados por polímeros de la proteína tubulina. movilidad celular y sujeta a los distintos orgánulos. Uno de los orgánulos, el retículo endoplasmático mem­ branoso (ER), compartimentaliza al citoplasma, incremen­ tando enormemente la superficie disponible para la síntesis En lo s o rg a n ism o s díp lo id es, bioquímica. El ER puede ser liso, en cuyo caso sirve como lugar para la síntesis de ácidos grasos y fosfolípidos, o pue­ lo s c ro m o so m a s fo rm a n p a re ja s de ser rugoso, así llamado por encontrarse en él los ribo- h o m o lo g a s somas. Los ribosomas son lugares para la traducción de la información genética, que se encuentra en el ARN mensa­ Cuando discutimos los procesos de la mitosis y de la meiosis jero (ARNm), en proteínas. es importante entender el concepto de cromosomas homó­ Para la actividad de la célula eucariota hay otras tres es­ logos. Su comprensión será también muy importante cuan­ tructuras citoplásmicas muy importantes: las mitocondrias, do hablemos de la genética mendeliana. Los cromosomas los cloroplastos y los centríolos. Las mitocondrias se en­ se visualizan más fácilmente en la mitosis. Cuando se exa­ cuentran en la mayoría de los organismos eucariotas, in­ minan con cuidado, se observa que tienen un tamaño y una cluyendo tanto células animales como vegetales, y son los forma característicos. Cada cromosoma tiene una región lugares para las fases oxidativas de la respiración celular. Es­ condensada, o constreñida, llamada centrómero, que con­ tas reacciones químicas generan grandes cantidades de ade- fiere la apariencia general de cada cromosoma. La Figura 2.3 nosina trifosfato (ATP), una molécula rica en energía. Los ilustra cromosomas con centrómeros situados en posiciones cloroplastos se encuentran en vegetales superiores, algas y diferentes a lo largo de los mismos. A ambos lados del cen­ algunos protozoos. Estos orgánulos están asociados con la trómero se sitúan los brazos cromosómicos. Dependiendo fotosíntesis, el principal proceso de captación de energía de de la posición del centrómero, los brazos tienen longitudes 24 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A Localización Denominación Forma en metafase Forma en anafase del centómero Central Metacéntrico ACromatidasiÉ- Centrómero hermanas í \ < d — Migración — ► Entre Brazo p — 1 1 el centro Submetacéntrico y el extremo 1 1 - Brazo q Próxima al extremo Acrocéntrico n En el extremo Telocéntrico. -----------------------. A FIG U R A 2.3 Posiciones del centrómero y designaciones de los cromosomas basadas en esas posiciones. Observe que la forma del cromosoma en la anafase está determinada por la posición del centrómero durante la metafase. relativas distintas. Como se indica en la Figura 2.3, los cro­ miembro de cada pareja de cromosomas homólogos duran­ mosomas se clasifican en metacéntricos, submetacéntricos, te la mayor parte de su ciclo. acrocéntricos o telocéntricos de acuerdo con la localización En la Figura 2.4 se presenta la apariencia física de dife­ del centrómero. Por convenio, el brazo más corto se mues­ rentes parejas de cromosomas homólogos. En dicha figura, tra por encima del centrómero y se denomina brazo p (p de los cromosomas mitóticos humanos se han fotografiado, se «pequeño»). El brazo más largo se muestra debajo y se deno­ han recortado de la foto y se han emparejado, formando un mina brazo q (por ser q la letra siguiente del alfabeto). cariotipo. Como puede verse, la especie humana tiene un Estudiando la mitosis podemos hacer otras observaciones número 2n de 46, y observado con detalle, los cromosomas importantes. Primero, todas las células somáticas de los indi­ presentan una gran diversidad de tamaños y posición del viduos de una misma especie tienen el mismo número de cro­ centrómero. Hay que advertir también que cada uno de los mosomas. En la mayoría de los casos representa al número 46 cromosomas tiene claramente una estructura doble, con diploide (2n). Cuando se examinan las longitudes y las po­ dos cromátidas hermanas en paralelo unidas por un único siciones del centrómero de dichos cromosomas, surge un se­ centrómero. Si se permitiera que estos cromosomas conti­ gundo rasgo general. Con la excepción de los cromosomas nuaran dividiéndose, cada pareja de cromátidas hermanas, sexuales, los cromosomas se encuentran formando parejas en que son idénticas entre si, se separarían hacia dos nuevas cé­ lo que respecta a estas dos propiedades, y los miembros de cada lulas cuando continuase la división. pareja se denominan cromosomas homólogos. Así, para cada El número haploide (n) de cromosomas es igual a la cromosoma con una longitud y una situación del centrómero mitad del número diploide. En conjunto, la dotación com­ específicas, existe otro cromosoma con rasgos idénticos. pleta de genes que contiene una dotación haploide de cro­ Desde luego, hay excepciones a esta regla. Muchas bac­ mosomas constituye el genoma de la especie. Esto incluye, terias y virus solo tienen un cromosoma, y algunos organis­ por supuesto, copia de todos los genes, además de una gran mos, como las levaduras y mohos, y ciertos vegetales, como cantidad de ADN no codificante. Los ejemplos catalogados los briófitos (musgos), pasan la fase predominante de su ci­ en la Tabla 2.1 demuestran que en animales y vegetales se clo de vida en estado haploide. Es decir, contienen un único encuentra un amplio rango de valores de n.  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 25 * « n / „ (- * ♦ 5\ !( s i * n 4 n *.« « 3 * ** + * * S \ tlí B5 T Í T S Í S f * ‘ r^ 1 I II II it S. V o a *? 8Ü i * Í 1 ii is « II II 1? i »íi5o m * ** * ^ =* 4.r i# M ti a > t FIGURA 2.4 Preparación metafásica de cromosomas de una célula en división de un varón (izquierda), y el cariotipo que se deriva de la misma (derecha). Todos los cromosomas, excepto el X y el Y, se encuentran formando parejas homologas. Realmente cada cromosoma es una estructura doble, formada por un par de cromátidas hermanas unidas por un centrómero común. Número haploide de cromosomas de diversos Las parejas de cromosomas homólogos tienen una se­ organismos mejanza genética importante. Tienen genes idénticos, si­ Nombre vulgar Nombre científico Número ha tuados en el mismo lugar a lo largo del cromosoma, al que Alga verde Chlamydomonas reinhardtii 18 se denomina locus (en plural, loci). Por ello, son idénticos Algodón Gossypium hirsutum 26 en lo que respecta a los caracteres sobre los que influyen y Arabidopsis Arabidopsis thaliana 5 a su potencial genético. En organismos con reproducción Aves de corral Gallus domesticus 39 sexual, uno de los miembros de cada pareja proviene de la Boca de dragón Antirrhinum majus 8 madre (a través del óvulo) y otro del padre (a través del es­ Caballo Ecjuus caballus 32 Cebolla de jardín Allium cepa 8 perma). Por ello, y como consecuencia de la herencia bipa- Chimpancé Pan troglodytes 24 rental, cada organismo diploide tiene dos copias de cada Estramonio Datura stramonium 12 uno de los genes. Como veremos en los capítulos sobre la Ganado vacuno Bos taurus 30 genética de la transmisión, los miembros de cada par de ge­ Gato Felis domesticus 19 nes, aunque influyen en el mismo carácter, no son necesa­ Guisante de jardín Pisum sativum 7 Haba Vicia faba 6 riamente idénticos. En una población de individuos de la Humano Homo sapiens 23 misma especie, pueden existir muchas formas alternativas Levadura Saccharomyces cerevisiae 16 del mismo gen, llamadas alelos. Maíz Zea mays 10 Los conceptos de número haploide, número diploide y Mariposa de seda Bombyx morí 28 cromosomas homólogos son importantes para entender la Moho del cieno Dictyostelium discoideum 7 Moho negro del pan Aspergillus nidulans 8 meiosis. Durante la formación de los gametos, o de las es­ Moho rosa del pan Neurospora crassa 7 poras, la meiosis reduce el número diploide de cromoso­ Mono rhesus Macaca mulatta 21 mas al número haploide. Por ello, los gametos, o esporas, Mosca de la fruta Drosophila melanogaster 4 haploides tienen exactamente un miembro de cada una de Mosca doméstica Musca domestica 6 las parejas de cromosomas —es decir, una dotación haploi­ Mosquito Culex pipiens 3 Nematodo Caenorhabditis elegans 6 de completa. Después de la fusión de los dos gametos en la Nenúfar blanco Nymphaea alba 80 fecundación, se restablece el número diploide; es decir, el ci­ Onagra Oenothera biennis 7 goto tiene dos dotaciones haploides completas de cromoso­ Patata Solanum tuberosum 24 mas. De esa manera se mantiene la constancia del material Perro Canis familiaris 39 genético de generación en generación. Pez cebra Danio rerío 25 Rana Rana pipiens 13 En el concepto de parejas de cromosomas homólogos Ratón Mus musculus 20 hay una excepción importante. En muchas especies, los Saltamontes Melanoplus differentiaüs 12 miembros de una pareja, los cromosomas que determinan Tabaco Nicotiana tabacum 24 el sexo, no tienen, normalmente, igual tamaño, igual situa­ Tomate Lycopersicon esculentum 12 ción del centrómero, la misma proporción entre los brazos, Trigo Triticum aestivum 21 o el mismo contenido genético. Por ejemplo, en la especie 26 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A humana, las mujeres tienen dos cromosomas X homólogos, tamaño de la célula madre. Sin embargo, el núcleo de cada mientras que los varones tienen, además de un cromosoma una de las nuevas células no es apreciablemente menor que X, un cromosoma Y (Figura 2.4). Los cromosomas X e Y el núcleo de la célula de donde provienen. La medida cuan­ no son estrictamente homólogos. El Y es considerablemen­ titativa del ADN confirma que hay una cantidad equiva­ te de menor tamaño y carece de la mayoría de los loci que lente de material genético en los núcleos hijos respecto del se encuentran en el cromosoma X. No obstante, contienen núcleo materno. regiones homologas y se comportan como homólogos en la meiosis, por lo que los gametos producidos por los varones La interfase y el ciclo celular reciben un cromosoma X o un cromosoma Y. Muchas células presentan una alternancia continua entre división y no división. Lo que sucede desde que termina una i ESI división hasta que comienza la división siguiente constituye L a m ito sis re p a rte los el ciclo celular (Figura 2.5). Consideraremos el estadio ini­ cial del ciclo, llamado interfase, como el intervalo entre dos | c ro m o so m a s e n tre la s cé lu la s h ija s divisiones. Antes se creía que la actividad bioquímica en la interfase se dedicaba exclusivamente al crecimiento celular La mitosis es básica para todos los organismos eucariotas. y a su funcionamiento normal. Sin embargo, sabemos ahora En algunos organismos unicelulares, como los protozoos y que hay otra actividad bioquímica, esencial para la siguien­ algunos hongos y algas, la mitosis (como parte de la división te mitosis, que se produce durante la interfase: la replicación celular) proporciona la base para su reproducción asexual. del ADN de cada cromosoma. Este periodo en el que se sin­ Los organismos pluricelulares diploides comienzan su ciclo tetiza el ADN se denomina fase S y tiene lugar antes de que biológico como óvulos fecundados unicelulares llamados la célula inicie la mitosis. Se puede detectar el momento del cigotos. La actividad mitótica del cigoto y de las células hi­ comienzo y finalización de la síntesis, monitorizando la in­ jas posteriores es la base para el crecimiento y desarrollo del corporación de precursores radioactivos del ADN. organismo. En organismos adultos, la actividad mitótica es Investigaciones de este tipo han demostrado la existen­ esencial en la cicatrización de las heridas y en otros tipos de cia de dos periodos durante la interfase, antes y después de sustitución de células en ciertos tejidos. Por ejemplo, en la la fase S, en los que no se sintetiza ADN. Estas fases se deno­ especie humana, las células epidérmicas de la piel y el reves­ minan G1 (gapl) y G2 (gapll), respectivamente. En ambas timiento intestinal se están desprendiendo y reemplazan­ fases, así como durante la fase S, se produce intensa activi­ do continuamente. En los vertebrados, la división celular dad metabólica, así como crecimiento y diferenciación celu­ da lugar también a una producción continua de reticuloci- lar. Hacia el final de la G2, el volumen celular prácticamente tos, que eliminarán finalmente sus núcleos y repondrán el se ha duplicado, el ADN se ha replicado y se ha iniciado número de glóbulos rojos. En situaciones anormales, las cé­ lulas somáticas pueden perder el control de la división celu­ lar, originando un tumor. En la división nuclear, o cariocinesis, el material gené­ tico se reparte entre las células hijas. Este proceso es muy complejo y requiere de gran precisión. En primer lugar, los cromosomas deben duplicarse de manera precisa y luego re­ partirse exactamente. El resultado final es la producción de dos núcleos hijos, cada uno con una composición cromosó­ mica idéntica a la de la célula madre. A la cariocinesis le sigue la división del citoplasma, o ci- tocinesis. La división del citoplasma, menos compleja, re­ quiere un mecanismo que dé lugar a un reparto del mismo en dos partes, seguido del confinamiento de las dos nuevas células dentro de una membrana plasmática diferente. Los FIGURA 2.5 Fases que forman un ciclo celular típico. Después de orgánulos citoplásmicos, o bien se autoduplican a partir de la mitosis, la célula inicia la fase G1 de la interfase, comenzando un las estructuras membranosas existentes, o se sintetizan de nuevo ciclo. Las células pueden no dividirse (GO) o continuar por novo en cada célula. G1, obligándose a comenzar la síntesis de ADN (S) y completar el ciclo (G2 y mitosis). Después de la mitosis se producirán dos Después de la división celular, el tamaño inicial de células hijas y el ciclo comenzará de nuevo para ambas células. las nuevas células hijas es aproximadamente la mitad del  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 27 la mitosis (M). Después de la mitosis, las células que están orden secuencial, son la profase, la prometafase, la metafase, continuamente dividiéndose repiten este ciclo (Gl, S, G2, la anafase y la telofase. Estas fases se esquematizan en la Fi­ M) una y otra vez, como se muestra en la Figura 2.5. gura 2.7, junto con las fotomicrografías correspondientes. Gran parte del conocimiento del ciclo celular se basa en estudios in vitro (del latín «en vidrio», que significa en un Profase tubo de ensayo). Cuando se las cultiva, muchos tipos dife­ A menudo, la profase dura la mitad de la mitosis [Figu­ rentes de células de distintos organismos completan el ciclo ra 2.7(b)], una fase que se caracteriza por diversas activi­ en unas 16 horas. La mitosis ocupa sólo una pequeña parte dades esenciales. Uno de los hechos más tempranos de la del ciclo, a menudo menos de una hora. La duración de las profase en todas las células animales es la migración de dos fases S y G2 de la interfase son bastante similares en diferen­ pares de centríolos hacia extremos opuestos de la célula. Es­ tes tipos celulares. La mayor variación se da en la duración tas estructuras se encuentran próximas a la envoltura nu­ del periodo G l. En la Figura 2.6 se presenta la duración re­ clear, en una zona de citoplasma diferenciado denominado lativa de estos periodos, así como la de las distintas fases de centrosoma (de la que hemos hablado en la Sección 2.1). Se la mitosis, en una célula humana en cultivo. cree que cada par de centríolos consta de una unidad madu­ La fase G l tiene gran interés en el estudio de la prolife­ ra y un centríolo más pequeño recién formado. ración celular y en su control. En un determinado momento La dirección de la migración de los centríolos es tal que se de G l, todas las células siguen uno de dos posibles caminos. establecen dos polos en extremos opuestos de la célula. Una O bien abandonan el ciclo y entran en una fase de reposo, vez han migrado, los centríolos son responsables de la orga­ la llamada fase GO (véase la Figura 2.5), o bien son obliga­ nización de los microtúbulos citoplásmicos, lo que da lugar a das a iniciar la síntesis de ADN y completar el ciclo. Las cé­ una serie de fibras del huso que van de polo a polo. Esto da lu­ lulas que entran en la fase GO permanecen viables y activas gar a un eje, a lo largo del cual se produce la separación de los metabólicamente, pero no se dividen. Aparentemente, las cromosomas. Es interesante advertir que en la mayor parte de células cancerosas evitan entrar en GO o pasan muy rápi­ las células vegetales (con muy pocas excepciones), de los hon­ damente por ella. Otras células entran en GO y nunca remi­ gos y en ciertas algas, parece que no hay centríolos. Sin em­ dan el ciclo celular. Y aun hay otras que permanecen en GO, bargo, en la mitosis se ven muy bien las fibras del huso. Por pero pueden ser estimuladas para volver a G l, continuan­ ello se puede decir que los centríolos no son las únicas estruc­ do el ciclo celular. turas responsables de la organización de las fibras del huso. Citológicamente la interfase se caracteriza por la ausen­ cia de cromosomas visibles. En su lugar, el núcleo se llena de A medida que los centríolos migran, la envoltura nuclear fibras de cromatina, que se forman a medida que los cromo­ comienza a descomponerse y desaparecer gradualmente. De somas se desespiralizan y se dispersan después de la mito- igual manera, los nucléolos del interior del núcleo se desin­ sis anterior [Figura 2.7(a)]. Una vez se han completado G l, tegran. Mientras suceden estos hechos, las fibras de la cro­ S y G2, se inicia la mitosis. La mitosis es un periodo diná­ matina difusa comienzan a condensarse, un proceso que mico de actividad continua y vigorosa. Para su mejor com­ continúa hasta que se hacen visibles unas estructuras fi­ prensión, todo el proceso se subdivide en fases discretas y lamentosas, los cromosomas. Cerca del final de la profase se asignan sucesos concretos a cada una. Estos estadios, en queda claro que cada cromosoma es una estructura doble, escindida longitudinalmente, excepto en una constricción puntual, el centrómero. Las dos partes de cada cromosoma In te rfa se M ito sis se denominan cromátidas hermanas, porque el ADN que contiene cada una de ellas es genéticamente idéntico, por Gl S G2 M ser el resultado de la duplicación de un único cromosoma. 5 7 3 1 Las cromátidas hermanas se mantienen juntas gracias a un Horas complejo proteínico formado por múltiples subunidades y denominado cohesina. Este complejo molecular se forma originalmente entre las dos cromáticas hermanas durante Pro Met Ana Tel la fase S del ciclo celular, cuando se replica el ADN de cada 36 3 3 18 cromosoma. Por tanto, aun cuando no podemos ver las cro­ Minutos mátidas en la interfase, porque la cromatina está desespi- ralizada y dispersada en el núcleo, los cromosomas ya son FIG U R A 2.6 Duración de cada fase de un ciclo celular estructuras dobles, lo que se hace patente en la última parte completo de una célula humana en cultivo. Los tiempos varían de la profase. En la especie humana, con un número diploide de acuerdo con los tipos celulares y las condiciones de cultivo. de 46, la preparación citológica del final de la profase revela 28 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A ( a ) In te r fa s e ( b ) P ro fa se (c) P ro m e ta fa s e (d ) M e ta fa s e Los cromosomas están Los cromosomas se enrollan Los cromosomas forman Los centrómeros extendidos y desespiralizados, y se acortan; los centríolos claramente estructuras dobles; se alinean en la placa formando la cromatina. se dividen y se separan. los centríolos alcanzan los polos metafásica. opuestos; se forman las fibras del huso. Placa celular / i^ n 'JW v ( e ) A n a fa s e ( f ) T e lo fa se Los centrómeros se dividen Los cromosomas hijos llegan y los cromosomas hijos migran a polos opuestos. a los polos; comienza la citocinesis. FIG U R A 2.7 Mitosis en una célula animal con un número diploide igual a 4. En el texto se describe lo que sucede en cada fase. De las dos parejas de cromosomas homólogos, una tiene cromosomas metacéntricos largos y la otra cromosomas submetacéntricos más cortos. Los cromosomas paternos y maternos se muestran en colores distintos. En (f) se muestra la telofase tardía de una célula vegetal, con la formación de la placa celular y la ausencia de centríolos. Las micrografías con microscopio óptico que ilustran las fases de la mitosis corresponden a la flor de Haemanthus, una planta que tiene un número diploide igual a 8.  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 29 46 de tales estructuras cromosómicas distribuidas aleatoria­ Sabemos bastantes cosas acerca de las fibras del huso. Es­ mente en la zona que anteriormente ocupaba el núcleo. tán formadas por microtúbulos, los cuales están formados a su vez por subunidades moleculares de la proteína tubulina (ya hemos dicho anteriormente que hay microtúbulos deri­ Prom etafase y m etafase vados de la tubulina que también forma parte del citoesque- El hecho diferencial en la siguiente fase es la migración de leto). Parece que los microtúbulos se originan y «crecen» a cada cromosoma, dirigido por su región centromérica, ha­ partir de las dos regiones centrosómicas (en donde se en­ cia el plano ecuatorial. El plano ecuatorial, también deno­ cuentran los centríolos) en polos opuestos de la célula. Son minado placa metafásica, se encuentra en el plano medio estructuras dinámicas, que se alargan o se acortan como con­ de la célula, perpendicular al eje que establecen las fibras secuencia de la adición o pérdida de subunidades de tubulina del huso. En algunas publicaciones el término prometafase polarizadas. Los microtúbulos más directamente implicados se refiere al periodo en el que los cromosomas se desplazan en la migración de los cromosomas, entran en contacto y [Figura 2.7(c)], mientras que el término metafase se aplica se adhieren a los cinetócoros a medida que crecen desde la estrictamente a la configuración cromosómica que aparece región centrosómica. Se denominan microtúbulos cineto- después de esta migración. córicos y tienen uno de sus extremos cerca de la región cen­ trosómica (en uno de los polos de la célula) y el otro extremo La migración se hace posible por la unión de las fibras anclado al cinetócoro. Es interesante advertir que el núme­ del huso al cinetócoro del cromosoma, una estructura de ro de microtúbulos que se unen al cinetócoro varía mucho multicapas de proteínas asociada con el centrómero. Esta en diversos organismos. En la levadura (Saccharomyces) hay estructura se forma en los lados opuestos de cada centróme­ un solo microtúbulo unido a cada una de las estructuras la­ ro emparejado, en íntima asociación con las dos cromátidas minares del cinetócoro. En el otro extremo se encuentran las hermanas. Una vez unida a los microtúbulos que forman células mitóticas de los mamíferos, en donde a cada parte del las fibras del huso, la cohesina es degradada por una enzi­ cinetócoro se unen de 30 a 40 microtúbulos. ma que recibe el apropiado nombre de separasa, y los bra­ zos de las cromátidas hermanas se separan, excepto en la Cuando termina la metafase, cada centrómero se encuen­ región de centrómero. Una familia especial de proteínas de­ tra alineado en la placa metafásica, con los brazos cromosó- nominada shugoshina (de la palabra japonesa que signifi­ micos extendidos hacia fuera, en una disposición aleatoria. ca «espíritu protector») protege a la cohesina en las regiones Esta configuración se muestra en la Figura 2.7(d). centroméricas, impidiendo que la separasa la degrade. En la Figura 2.8 se describe la interacción de los complejos de A nafase cohesina y shugoshina con un par de cromátidas hermanas En la anafase, que es la más breve, ocurren los fenómenos durante la mitosis. esenciales que tienen que ver con la distribución de los cro­ mosomas en la mitosis. Es en esta fase en la que las cromá­ tidas hermanas de cada cromosoma, que solo se mantienen unidas por su región centromérica, se separan —un suceso denominado disyunción— y migran hacia extremos opues­ tos de la célula. Para que se dé una separación completa: (1) la shugoshina debe ser degradada, invirtiendo su papel pro­ tector; (2) el complejo de cohesina que mantiene juntas las regiones centroméricas de cada cromosoma hermano es lue­ go dividido por la separasa y (3) las cromátidas hermanas de cada cromosoma son arrastradas hacia polos opuestos de la célula (Figura 2.8). Una vez que ha ocurrido esto, cada cro- mátida se denomina, a partir de ahora, cromosoma hijo. El movimiento de los cromosomas hijos a los polos opuestos de la célula depende de la unión entre las fibras del huso y el centrómero. Investigaciones recientes han puesto de manifiesto que la migración de los cromosomas es con­ FIG U R A 2.8 Descripción del alineamiento, emparejamiento secuencia de la actividad de una serie de moléculas espe­ y separación de las cromátidas hermanas durante la mitosis, cíficas, denominadas proteínas motoras, que se encuentran proceso en el que están implicados los complejos moleculares en diversas ubicaciones dentro de la célula que se está di­ cohesina y shugoshina y la enzima separasa. vidiendo. Estas proteínas a las que se denomina motores 30 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A moleculares, utilizan la energía generada por la hidróli­ cromosomas comienzan a desespiralizarse y quedan de nue­ sis del ATP. Su efecto sobre la actividad de los microtúbu- vo como cromatina difusa, mientras que se rehace la envol­ los sirve en último término para acortar las fibras del huso, tura nuclear a su alrededor. Las fibras del huso desaparecen arrastrando a los cromosomas hacia extremos opuestos de la y los nucléolos se forman de nuevo gradualmente y quedan célula. Los centrómeros de cada cromosoma parecen abrir el totalmente visibles en el núcleo durante la interfase tempra­ camino durante la migración, remolcando detrás los brazos na. Al final de la telofase, la célula entra en la interfase. cromosómicos. Se han propuesto diversos modelos para ex­ plicar el acortamiento de las fibras del huso. Estos modelos Regulación del ciclo celular y puntos tienen en común la eliminación selectiva de subunidades de de control tubulina en los extremos de las fibras del huso. El proceso de El ciclo celular, que culmina en la mitosis, es fundamental­ eliminación lo llevan a cabo las proteínas que actúan como mente idéntico en todos los organismos eucariotas. Esta si­ motores moleculares, a las que nos acabamos de referir. militud en tantos organismos tan diversos, sugiere que el La situación del centrómero determina la forma del cro­ ciclo celular está gobernado por un programa genéticamen­ mosoma durante la separación, como hemos visto en la Fi­ te regulado que se ha ido conservando a lo largo de la evolu­ gura 2.3. Los pasos que ocurren en la anafase son esenciales ción. Puesto que los fallos en esta regulación pueden ser los para proporcionar a cada célula hija una dotación idéntica responsables de la división incontrolada de células que carac­ de cromosomas. En células de la especie humana, habría en teriza ciertas enfermedades, hay un gran interés por averi­ este momento 46 cromosomas en cada polo, uno de cada guar cómo se encargan los genes de regular el ciclo celular. una de las parejas hermanas originales. En la Figura 2.7(e) El gran esfuerzo de investigación realizado a lo largo de se muestra la anafase antes de su finalización. los últimos 15 años ha dado grandes resultados, y ahora co­ nocemos muchos genes implicados en el control del ciclo Telofase celular. Este trabajo fue reconocido mediante la concesión La telofase es la fase final de la mitosis y se representa en la del Premio Nobel de 2001 en Medicina o Fisiología a Lee Figura 2.7(f). En su comienzo hay dos dotaciones completas Hartwell, Paul Nurse y Tim Hunt. Al igual que sucede con de cromosomas, una en cada polo. El hecho más significati­ otros estudios de control genético de ciertos procesos bioló­ vo es la citocinesis, la división o partición del citoplasma. La gicos esenciales, la investigación se ha centrado en el descu­ citocinesis es esencial si a partir de una única célula se han de brimiento de mutaciones que interrumpen el ciclo celular, producir dos nuevas células. El mecanismo difiere mucho en­ así como en los efectos de dichas mutaciones. Ya que volve­ tre células animales y vegetales, pero el resultado final es el remos sobre este tema en el Capítulo 19 al hablar del cáncer, mismo: se forman dos células independientes. En las células aquí nos limitaremos a presentar una breve panorámica. vegetales, se sintetiza una placa celular que atraviesa a la célu­ Actualmente conocemos muchas mutaciones que ejercen la en división, en la región de la placa metafásica. Sin embargo, un influjo sobre una u otra etapa del ciclo celular. Descubiertas las células animales sufren una constricción del citoplasma, por primera vez en las levaduras, pero detectadas ahora también de manera muy similar a como lo provocaría el lazo de una en todos los organismos, incluyendo los humanos, dichas mu­ cuerda apretando la zona ecuatorial de un globo. taciones se denominaron originalmente mutaciones del ciclo No es sorprendente que el proceso de la citocinesis sea de división celular (cdc). Los productos normales de muchos diferente en células de distintos organismos. En las células de los genes mutantes son enzimas denominadas quinasas, que vegetales, que tienen una forma más regular y que son es­ pueden añadir fosfatos a otras proteínas. Sirven como molécu­ tructuralmente rígidas, se requiere un mecanismo para la de­ las de «control maestro», operando en conjunción con unas posición de la nueva pared celular alrededor de la membrana proteínas denominada ciclinas. Las ciclinas se enlazan con estas plasmática. La placa celular, que se forma en la telofase, se quinasas (creando quinasas dependientes de ciclinas), activándo­ convierte en la lámina media. Posteriormente, las capas pri­ las en instantes apropiados durante el ciclo celular. Las quina­ maria y secundaria de la pared celular se depositan entre la sas activadas fosforilan entonces a otras proteínas que regulan membrana celular y la lámina media, a ambos lados del lími­ el progreso del ciclo celular. El estudio de las mutaciones cdc ha te entre las dos células hijas. En los animales, una vez com­ permitido establecer que el ciclo celular contiene al menos tres pletada la constricción de la membrana celular se produce el puntos de control principales, en los que se supervisan los proce­ surco celular, característico de las células recién divididas. sos que culminan en la mitosis normal. Quienes se encargan de Hacia el final de la telofase, se inician también otros pro­ «comprobar» esos procesos antes de que comience la siguiente cesos necesarios para la transición de mitosis a interfase. etapa del ciclo son estas moléculas de control maestro. Representan generalmente una inversión de los sucesos que Los puntos de control se denominan de acuerdo con la se han producido en la profase. En cada nueva célula, los etapa del ciclo celular en la que se produce la monitorización  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 31 (Figura 2.5). El primero de los tres, el punto de control Gl/S, monitoriza el tamaño que la célula ha conseguido desde la mitosis anterior y también evalúa la condición del ADN. Si L a m e io sis red u ce el n ú m ero la célula no ha alcanzado un tamaño adecuado, o si el ADN de c ro m o so m a s de diploide ha resultado dañado, se impide la continuación del ciclo has­ a h ap lo id e en la s cé lu la s ta que estas condiciones se «corrijan». Si ambas condiciones son normales en Gl/S, entonces se permite a la célula pasar g e rm in a le s y en la s e s p o ra s de la fase G1 a la fase S del ciclo. El segundo punto de con­ trol es el punto de control G2/M, en el que se monitoriza La meiosis, a diferencia de la mitosis, reduce a la mitad la el ADN antes del comienzo de la mitosis. Si la replicación cantidad de material genético. Mientras que en organismos del ADN está incompleta, o si se detecta en el ADN algún diploides la mitosis da lugar a células hijas con una dota­ daño que no haya sido reparado, se interrumpe el ciclo ce­ ción diploide completa, en la meiosis se producen gametos lular. El punto de control final tiene lugar durante la mitosis o esporas con sólo una dotación haploide de cromosomas. y se denomina punto de control M (en ocasiones denomi­ En la reproducción sexual, los gametos se combinan me­ nado punto de control deformación del huso). En él, se mo- diante fecundación para reconstruir la dotación diploide, tal nitorizan tanto la adecuada formación del sistema de fibras como se encuentra en las células paternas. En la Figura 2.9 del huso como el enlace de las fibras del huso a los cinetóco- se comparan los dos procesos siguiendo a dos pares de cro­ ros asociados con los centrómeros. Si las fibras del huso no mosomas homólogos. se han formado apropiadamente o si el enlace es inadecua­ La meiosis tiene que ser muy específica, ya que, por defi­ do, se detiene la mitosis. nición, los gametos o esporas haploides tienen exactamente La importancia del control del ciclo celular y de estos pun­ uno de los miembros de cada una de las parejas de cromo­ tos de control puede ilustrarse considerando lo que sucede somas homólogos. Terminada con éxito, la meiosis asegura cuando este sistema de regulación no funciona. Supongamos, la continuidad genética de generación en generación. por ejemplo, que el ADN de una célula ha sufrido daños que La reproducción sexual asegura también la variación ge­ conducen a una o más mutaciones que afectan al control del nética entre los individuos de una especie. Cuando estudie­ ciclo celular. Si se la permite continuar con el ciclo celular for­ mos la meiosis, quedará claro que este proceso da lugar a mando una de las poblaciones de células en división, esta cé­ gametos con muchas combinaciones únicas a partir de cro­ lula genéticamente alterada se dividiría sin control —lo cual mosomas provenientes del padre y de la madre en las dota­ es, precisamente, la definición de una célula cancerosa. Si, en ciones haploides. Gracias a la tremenda variación genética lugar de ello, se detiene el ciclo celular en uno de los puntos de de los gametos, en la fecundación es posible un gran nú­ control, se puede eliminar la célula de la población de células mero de combinaciones cromosómicas. Además, veremos en división, neutralizando así su malignidad potencial. que el fenómeno meiótico denominado entrecruzamiento (o sobrecruzamiento) da lugar a intercambio genético en­ A H O RA R ESU ELV A ESTO tre cada uno de los miembros homólogos de una pareja de cromosomas. Esto produce cromosomas que son un m o­ 2.1 Con la primera aparición de lo que llam am os «Ahora re­ saico de los homólogos paterno y materno de los que pro­ suelva esto», conviene que hagamos una pequeña introduc­ vienen, intensificando la potencial variación genética de los ción. Encontrará este tipo de ejercicio varias veces en este y en los siguientes capítulos. En cada ocasión, se enunciará un gametos y de los descendientes derivados de ellos. Por con­ problema relacionado con las explicaciones recién expues­ siguiente, la reproducción sexual baraja el material gené­ tas. Luego se ofrece una «Sugerencia» que puede ayudarle a tico, dando lugar a descendientes que a menudo difieren resolver el problema. He aquí el primero de estos ejercicios. mucho de sus padres. Este proceso constituye la forma más (a ) Si un organismo tiene un número diploide igual a importante para combinar información genética dentro de 16, ¿cuántas crom átidas serán visibles al final de la una especie. profase de la mitosis? (b ) ¿Cuántos crom osom as se desplazarán a cada polo Panoram a de la m eiosis en la anafase de la mitosis? En la discusión anterior hemos establecido lo que podría­ S U G ER E N C IA : este problema implica una comprensión de lo que sucede con cada pareja de cromosomas homólogos durante la mi­ mos considerar como los objetivos de la meiosis: la reduc­ tosis. La clave para su solución es comprender que a lo largo de la ción al complemento haploide de los cromosomas. Antes de mitosis, los miembros de cada pareja de cromosomas homólogos no considerar sistemáticamente las fases de este proceso, exa­ se emparejan, sino que se comportan de manera independiente. minaremos brevemente de qué manera las células diploi­ des se convierten en gametos o esporas haploides. En la 32 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A & - co Mitosis Célula diploide (2n = 4) < v\ VxVl Prometafase Cromátidas * hermanas , Tétrada Metafase (cuatro cromosomas, / / O D C Metafase cada uno con 2=: una pareja - D C (dos tétradas) de cromátidas hermanas) r Anafase Telofase D iv isió n re d u c c io n a l Diadas r \ j O r D iv isió n Célula hija Célula hija (2ri) (2 n) FIG U R A 2.9 Visión de conjunto de los principales sucesos y resultados de la mitosis y de la meiosis. Como en la Figura 2.7, se sigue a dos parejas de cromosomas homólogos. discusión siguiente nos referiremos a la parte de la meio­ homólogos se comporta de manera autónoma en la división. sis de la Figura 2.9. En contraste, al comienzo de la meiosis, los cromosomas ho­ Ya hemos visto que en la mitosis, cada uno de los miem­ mólogos forman parejas; es decir, sufren sinapsis. Cada es­ bros paternos y maternos de una pareja dada de cromosomas tructura en sinapsis, denominada bivalente, que finalmente  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 33 dará lugar a una unidad, la tétrada, consta de cuatro cro- Profase I de la meiosis mátidas. La presencia de cuatro cromátidas demuestra que ambos homólogos (que forman el bivalente) se han duplica­ do de hecho. Por consiguiente, para alcanzar la haploidía son necesarias dos divisiones. En la meiosis I, denominada divi­ sión reduccional (debido a que el número de centrómeros, cada uno de los cuales representa a un cromosoma, se redu­ ce a la mitad después de esta división), los componentes de cada tétrada —que representa a los dos homólogos— se se­ paran, produciendo dos diadas. Cada diada está compuesta por dos cromátidas hermanas unidas por un único centró­ mero. En la meiosis II, denominada ecuacionai (ya que el número de centrómeros permanece «constante» después de esta división), cada diada se escinde en dos mónadas de un solo cromosoma cada una. Así, las dos divisiones pueden dar lugar potencialmente a cuatro células haploides. La prim era división m eiótica: la profase I Volvamos ahora a una descripción detallada de la meiosis. Como la mitosis, la meiosis es un proceso continuo. Nom­ braremos las partes de cada fase de la división sólo para- facilitar la discusión. Desde el punto de vista genético hay tres hechos que caracterizan la fase inicial, la profase I (Figura 2.10). Primero, como en la mitosis, la cromatina presente en la interfase sufre engrosamientos y espiraliza- ciones dando lugar a cromosomas visibles. Y, como en la mitosis, cada cromosoma es una estructura doble que se mantiene junta gracias al complejo molecular denominado cohesina. Segundo, a diferencia de la mitosis, los miembros homólogos de cada par de cromosomas sufren la sinapsis. Tercero, entre los homólogos en sinapsis se producen en- trecruzamientos, un proceso de intercambio. Debido a la complejidad de estos fenómenos genéticos, esta fase de la meiosis se ha subdividido en cinco subfases: leptoteno, zigo- teno, paquiteno, diploteno y diacinesis. Cuando discutamos dichas subfases, hay que tener en cuenta que, aun cuando no es totalmente aparente en las primeras fases de la meio­ sis, el ADN de los cromosomas se ha duplicado en la inter­ fase anterior. Leptoteno En la subfase leptoteno, el material cromatínico interfásico comienza a condensarse y los cromosomas, aun­ que todavía extendidos, se hacen visibles. A lo largo de cada cromosoma se encuentran los cromómeros, que son con­ densaciones localizadas que recuerdan a las cuentas de un collar. Pruebas recientes sugieren que es durante el leptote­ no cuando comienza el proceso denominado búsqueda del homólogo que precede y es esencial para el inicio del apa­ reamiento de los homólogos. Cigoteno Los cromosomas continúan acortándose y en­ FIGURA 2.10 Subfases de la profase I de la meiosis para los grosándose en la subfase cigoteno. En el proceso de bús­ cromosomas representados en la Figura 2.9. queda del homólogo, los cromosomas homólogos sufren un 34 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A alineamiento inicial entre sí. Este denominado apareamien­ genética. Como se indicó anteriormente, durante este proce­ to preliminar se completa hacia el final del zigoteno. En la so se forman nuevas combinaciones de material genético. levadura, los homólogos están separados unos 300 nm, y al Diacinesis La subfase final de la profase I es la diacine- final del zigoteno, son visibles unas estructuras denomina­ sis. Los cromosomas se separan más aun, pero las cromáti­ das elementos laterales entre los homólogos emparejados. A das no hermanas permanecen débilmente asociadas gracias medida que prosigue la meiosis, la longitud total de los ele­ a los quiasmas. A medida que progresa la separación, los mentos laterales a lo largo del cromosoma se incrementa, y quiasmas se desplazan hacia los extremos de la tétrada. Este comienza a formarse entre los homólogos un componente proceso, denominado terminalización, comienza hacia el ultraestructural más amplio denominado complejo sinapti- final del diploteno y se completa durante la diacinesis. En némico. Se cree que este complejo es el vehículo responsable esta última subfase de la profase I, el nucléolo y la envoltura del emparejamiento de homólogos. En algunos organismos nuclear se descomponen y los dos centrómeros de cada té­ diploides, esta sinapsis tiene lugar como una especie de me­ trada quedan unidos a las recién formadas fibras del huso. canismo de cremallera, comenzando con los extremos de los Al final de la profase I, los centrómeros de cada tétrada se cromosomas conectados a la envoltura nuclear. encuentran en la placa metafásica de la célula. Cuando termina el zigoteno, los homólogos apareados constituyen una estructura denominada bivalente. Aun­ M etafase, anafase y telofase I que los dos miembros de cada bivalente ya han replicado su ADN, todavía no es aparente que cada miembro es una es­ El resto de la meiosis se describe en la Figura 2.11. Después tructura doble. El número de bivalentes de una especie dada de la primera profase I meiótica, siguen fases similares a las es igual a su número haploide (n). de la mitosis. En la primera división (metafase I) los cromo­ Paquiteno En la transición entre el zigoteno y la subfase somas se han acortado y engrosado ya al máximo. Son visi­ paquiteno, continúa la espiralización y acortamiento de los bles los quiasmas terminales de cada tétrada y parece que son cromosomas, con un mayor desarrollo del complejo sinap- estos los principales responsables de mantener unidas a las dos cromátidas no hermanas. Cada tétrada interactúa con las tinémico que se encuentra entre los dos miembros de cada fibras del huso, facilitando el movimiento hacia la placa me­ bivalente. Esto da lugar a un apareamiento más íntimo de­ tafásica. El alineamiento de cada tétrada antes de esta prime­ nominado sinapsis. Comparado con el característico apa­ ra anafase es al azar. La mitad de la tétrada (una de las diadas) reamiento preliminar del paquiteno, los homólogos quedan será arrastrada hacia uno u otro polo aleatoriamente, mien­ ahora separados sólo por unos 100 nm. tras que la otra mitad se desplazará hacia el polo opuesto. Durante el paquiteno ya es evidente que cada homólogo es Durante las fases de la meiosis I, el par de cromátidas her­ una estructura doble, lo que proporciona una prueba visual de manas se mantienen unidas mediante una sola región centro- la anterior replicación del ADN de cada cromosoma. Así pues, mérica. Esa región aparece como una sola unidad, formándose cada bivalente tiene cuatro cromátidas. Como en la mitosis, un cinetócoro alrededor de cada una. Al igual que sucedía en las réplicas se denominan cromátidas hermanas, mientras que nuestra explicación de la mitosis (véase la Figura 2.8), la co- las cromátidas paternas respecto de las maternas de una pareja hesina juega el principal papel a la hora de mantener juntas a de homólogos se denominan cromátidas no hermanas. La es­ la cromátidas hermanas. En la anafase I, la cohesina existen­ tructura de cuatro miembros también se denomina tétrada, y te entre las cromátidas hermanas se degrada, excepto en la cada tétrada tiene dos pares de cromátidas hermanas. región centromérica que, como en la mitosis, está protegida Diploteno Durante la siguiente subfase diploteno es inclu­ mediante un complejo de shugoshina. Después, la mitad de so mas aparente que cada tétrada consta de dos parejas de cada tétrada, una diada, es arrastrada hacia cada uno de los cromátidas hermanas. En cada tétrada, cada par de cromá­ polos de la célula en división. Este proceso de separación es la tidas hermanas comienza a separarse. Sin embargo, uno o base física de lo que denominamos disyunción, que es la se­ mas puntos permanecen en contacto, que es por donde las paración de los cromosomas homólogos. Ocasionalmente se cromátidas se han entrelazado. Cada uno de tales puntos producen errores en la meiosis y no se consigue dicha sepa­ se denomina quiasma y se cree que representa el lugar en ración. El término no disyunción describe tal fallo. Cuando donde las cromátidas no hermanas han sufrido intercam­ termina la anafase I normal, en cada uno de los polos hay una bio genético mediante el proceso que denominábamos an­ serie de diadas en número igual al número haploide. teriormente entrecruzamiento. Aunque el intercambio físico Si no hubiera ocurrido entrecruzamiento en la primera entre los cromosomas ocurre en la subfase previa del paqui­ profase meiótica, en cada polo cada diada constaría solo de teno, el resultado del entrecruzamiento es visible sólo cuan­ cromátidas bien maternas o bien paternas. Sin embargo, el do los cromosomas duplicados comienzan a separarse. El intercambio que se produce por entrecruzamiento origina entrecruzamiento es una fuente importante de variabilidad cromátidas en mosaico de origen paterno y materno.  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 35 En la telofase I de muchos organismos se forma una — membrana nuclear alrededor de las diadas. A continuación el núcleo entra en un corto periodo de interfase. Aunque El d e sa rro llo de lo s g a m e to s v a r ía haya un periodo de interfase, los cromosomas no se replican, d u ra n te la e sp e rm a to g é n e sis ya que ya están formados por dos cromátidas. En otros casos las células pasan directamente desde la primera anafase a la y la o o g én esis segunda división meiótica. En general, la telofase meiótica es Aunque lo que ocurre durante las divisiones meióticas es mucho mas corta que la correspondiente fase mitótica. similar en todas las células que participan en la gameto- génesis, en la mayoría de las especies animales hay ciertas La segunda división m eiótica diferencias entre la producción de un gameto masculino Es esencial que haya una segunda división de las cromáti­ (espermatogénesis) y la de un gameto femenino (oogéne­ das hermanas que forman cada diada, denominada meiosis sis). En la Figura 2.12 se resumen estos procesos. II, si cada gameto o espora tiene que recibir sólo una cromá- La espermatogénesis tiene lugar en los testículos, que tida de cada una de las tétradas originales. Los estadios que son los órganos reproductores masculinos. El proceso co­ caracterizan a la meiosis II se muestran en la parte derecha mienza con un mayor crecimiento de una célula germinal di­ de la Figura 2.11. En la profase II, cada diada está formada ploide no diferenciada, denominada espermatogonio. Esta por un par de cromátidas hermanas unidas por un centró­ célula aumenta de tamaño hasta convertirse en un esper- mero común. En la metafase II los centrómeros se sitúan en matocito primario, que sufre la primera división meiótica. la placa ecuatorial. Cuando el complejo de shugoshina se de­ Los productos de esta división se denominan espermatoci- grada, los centrómeros se separan, se inicia la anafase II y las tos secundarios, que tienen un número haploide de diadas. cromátidas hermanas de cada diada se separan hacia los po­ Luego, los espermatocitos secundarios sufren la segunda di­ los opuestos. Ya que el número de diadas es igual al número visión meiótica y cada una de estas células produce dos es- haploide, en la telofase II se encuentra un miembro de cada permátidas haploides. Las espermátidas, mediante una serie pareja de cromosomas homólogos en cada polo. Cada cro­ de cambios en el desarrollo, denominado espermiogénesis, mosoma es ahora una mónada. Después de la citocinesis, en se convierten en esperma o espermatozoides móviles y al­ la telofase II se pueden producir cuatro gametos haploides tamente especializados. Todos los espermatozoides que se como resultado de una única meiosis. Al final de la meiosis, producen durante la espermatogénesis contienen un núme­ no sólo se habrá conseguido el estado haploide, sino que, si ro haploide de cromosomas e igual cantidad de citoplasma. ha habido entrecruzamiento, cada mónada será una combi­ En animales maduros del sexo masculino la espermato­ nación de información genética paterna y materna. Por ello, génesis puede ser continua o darse periódicamente, deter­ los descendientes que se producen por la unión de game­ minándose su inicio de acuerdo con la naturaleza del ciclo tos recibirán una mezcla de la información genética presente reproductor de la especie. Los animales que se reprodu­ originalmente en sus abuelos paternos o maternos. Por ello, cen durante todo el año producen esperma continuamente, la meiosis incrementa significativamente el nivel de varia­ mientras que aquellos que tienen un periodo de reproduc­ ción genética en cada una de las sucesivas generaciones. ción limitado a una estación particular del año, producen esperma solo durante dicho periodo. A H O RA R ESU ELV A ESTO En la oogénesis animal, la formación de los óvulos tiene lugar en los ovarios, los órganos reproductores femeninos. 2.2 Un organismo tiene un número diploide igual a 16 en Las células hijas que resultan de las dos divisiones meió­ el oocito primario, (a ) ¿Cuántas tétradas habrá en la prime­ ticas, reciben igual cantidad de material genético, pero no ra profase meiótica? (b ) ¿Cuántas diadas habrá en la segun­ reciben igual cantidad de citoplasma. En cada división ce­ da profase meiótica? (c ) ¿Cuántas mónadas migrarán a cada lular, casi todo el citoplasma del oocito primario, derivado polo durante la segunda anafase meiótica? del oogonio, se concentra en una de las dos células hijas. La S U G ER E N C IA : este problema requiere comprender lo que le suce­ concentración del citoplasma es necesaria debido a que una de a los miembros paternoy materno de cada pareja de cromosomas de las funciones principales del óvulo maduro es nutrir al homólogos durante la meiosis. La idea principal para solucionar este embrión en desarrollo después de la fecundación. problema es comprender que los homólogos paternoy materno están En la primera anafase meiótica de la oogénesis, se sepa­ en sinapsis durante la meiosis. Una vez que cada cromátida se ha duplicado, dando lugar a una tétrada en las primeras fases de la ran las tétradas del oocito primario y las diadas se des­ meiosis, cada pareja original se comporta como una unidad y da plazan hacia los polos opuestos. En la primera telofase, las lugar a dos diadas en la anafase I. diadas presentes en un polo se separan rodeadas por muy poco citoplasma para formar el primer corpúsculo polar. 36 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A P in Metafase I Anafase I Profase II X J ' J f FIG U R A 2.11 Los principales sucesos de la meiosis en una célula animal, con número diploide igual a 4, comenzando con la metafase I. Se puede ver que las combinaciones de cromosomas de las células, que se producen después de la telofase II, dependen del alineamiento aleatorio de cada tétrada y diada en los planos ecuatoriales durante las metafases I y II. Se pueden formar otras muchas combinaciones, que no se muestran. Los hechos representados aquí se describen en el texto. El primer corpúsculo polar puede o no dividirse para pro­ en el estado de profase I. Muchos años después, se conti­ ducir dos pequeñas células haploides. La otra célula hija que núa la meiosis en cada oocito justo antes de la ovulación. se produce en esta primera división meiótica recibe la mayo­ La segunda división se completa sólo después de la fecun­ ría del citoplasma y se denomina oocito secundario. El óvu­ dación. lo maduro se producirá a partir del oocito secundario, en la segunda división meiótica. En esta división el citoplasma del AH O RA R ESU ELV A ESTO oocito secundario se reparte de nuevo desigualmente, dan­ 2.3 Examine la Figura 2.12 , que muestra la oogénesis en cé­ do lugar a una oótida y a un segundo corpúsculo polar. La lulas anim ales. El genotipo del segundo corpúsculo polar oótida se diferencia posteriormente en el óvulo maduro. (derivado de la meiosis II) ¿será siempre idéntico al de la oó­ A diferencia de las divisiones de la espermatogénesis, tida? ¿Por qué si o por qué no? las dos divisiones meióticas de la oogénesis pueden ser no S U G ER E N C IA : este problema requiere comprender el funciona­ consecutivas. En algunas especies animales las dos divisio­ miento de la meiosis durante la oogenésis. La clave para su solución nes pueden darse una a continuación de la otra. En otras, es tener en cuenta que en la meiosis I se produjo entrecruzamiento incluida la especie humana, la primera división de todos los entre cada pareja de homólogos. oocitos comienza en el ovario embrionario, pero se detiene  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 37 m \ A A ( V '- ' / \ 'N V J \ j j V J Gametos Metafase II Anafase II Telofase I haploides A " \ A^ A llí V v/ W V , / FIG U R A 2.11 (continuación) Cada organismo diploide almacena su información ge­ L a m e io sis e s ese n cia l nética en forma de parejas de cromosomas homólogos. Cada pareja está formada por un miembro derivado de la madre y p a r a la rep ro d u cció n se x u a l otro del padre. Después de la meiosis, las células haploides en to d o s los o rg a n ism o s dip lo id es contienen potencialmente el representante paterno o mater­ no de cada una de las parejas de cromosomas homólogos. La meiosis es esencial para que tenga éxito la reproduc­ Sin embargo, el proceso de entrecruzamiento que tiene lu­ ción sexual en todos los organismos diploides. Es el me­ gar durante la primera profase meiótica, vuelve a barajar los canismo mediante el cual se reduce la cantidad diploide de alelos entre los miembros paterno y materno de cada pareja información genética a la cantidad haploide. En los ani­ homologa, que luego se segregan y asignan independiente­ males, la meiosis da lugar a la formación de los gametos, mente a los gametos. Estos sucesos son los responsables de mientras que en los vegetales se producen esporas haploi­ la gran variedad genética presente en los gametos. des, que a su vez dan lugar a la formación de gametos ha­ Es importante mencionar brevemente el importante pa­ ploides. pel que la meiosis juega en los ciclos biológicos de hongos 38 CO N CEPTO S DE G EN ÉTIC A Crecimiento/ maduración # 1 V - Espermatocito Oocito prim ario prim ario Espermatocito Meiosis secundario m - A Oocito Prim er corpúsculo secundario polar Meiosis II- l \ l \ - [ \ Espermátidas Oótida Segundo corpúsculo -Diferenciación- polar " I Óvulo Espermatozoides FIG U R A 2.12 Espermatogénesis y oogénesis en células animales. y vegetales. En muchos hongos, el estado predominante del En los vegetales pluricelulares el ciclo biológico es alternan- ciclo biológico es el de células vegetativas haploides. Se pro- te entre la fase esporofítica diploide y la fase gametofíti- ducen por meiosis y proliferan por división celular mitótica. ca haploide (Figura 2.13). Mientras que una u otra de estas  C A PÍT U LO 2 MITOSIS Y MEIOSIS 39 Microesporangio (produce microesporas) Macroesporangio (produce macroesporas) Esporófito Diploide (2n) Fecundación Meiosis Haploide (n) FIG U R A 2.13 Alternancia de generaciones entre el esporófito diploide (2w) y el gametófito haploide («) en un vegetal pluricelular. Los procesos de meiosis y fecundación hacen de puente entre las dos fases del ciclo biológico. En las angiospermas (plantas con flo r), como la que se muestra aquí, la fase esporofítica es la predominante. fases predomina en diferentes grupos vegetales durante esta condensándose en los cromosomas mitóticos típicos [Fi­ «alternancia de generaciones», la meiosis y la fecundación gura 2.14(b)]. Si se aflojan las fibras que constituyen los constituyen el «puente» entre las fases esporofítica y game- cromosomas mitóticos, las zonas más desplegadas revelan tofítica. Por ello, la meiosis es un componente esencial en el fibras similares a las que se observan en la cromatina inter­ ciclo biológico de los vegetales. fásica [Figura 2.14(c)]. Parece que hay muy pocas fibras con extremos libres, y en algunos casos no se observa ninguno. Por el contrario, parece que las fibras se curvan siempre ha­ cia el interior. Obviamente, tales fibras están espiralizadas L a m icro sc o p ía e le ctró n ica h a y replegadas entre sí, dando lugar al aspecto normal de los rev elad o la e s tru c tu ra f ís ic a de los cromosomas mitóticos. Comenzando en la telofase tardía c ro m o so m a s m itó tico s y m eió tico s de la mitosis y continuando durante el periodo G1 de la in­ terfase, los cromosomas se desenrollan para formar las lar­ Hasta aquí nos hemos centrado en los