Núcleo celular y ciclo celular: estructura, división mitótica y meiosis

El núcleo celular

El núcleo es una estructura característica de las células eucariotas. Solo está presente en la interfase, ya que durante la división celular se desintegran sus límites y desaparece el núcleo.

Hablamos de núcleo mitótico o meiótico para referirnos a la situación de progresiva condensación de la cromatina, necesaria para formar los cromosomas.

El núcleo está compuesto por ARN, ADN, proteínas, agua y nucleótidos. La mayoría de las células eucariotas tiene un solo núcleo, normalmente en una zona central y de forma esférica. Las células que tienen dos o más núcleos se llaman polinucleadas, y existen dos tipos según su origen:

• Sincitio: aparece a partir de la fusión de varias células con un núcleo, sin que lleguen a unirse.
• Plasmodio: se produce por mitosis sucesivas sin que haya citocinesis. Esto hace que vaya aumentando el número de núcleos en la célula. Ejemplo: Plasmodium.

Envoltura nuclear

Es la estructura que delimita el núcleo en interfase. Es una doble membrana que se compone de:

1. Membrana nuclear externa: en algunos puntos continúa con el retículo endoplasmático. También puede llevar asociados en su cara externa, que da al citoplasma, ribosomas.
2. Membrana nuclear interna: tiene proteínas específicas que la diferencian de la externa. Se conecta con una red fibrosa de proteínas llamada lámina fibrosa.
3. Espacio intermembrana: espacio que existe entre las dos membranas de la envoltura.
4. Complejo del poro: estructuras dinámicas que aparecen y desaparecen en la envoltura nuclear en función de las necesidades de la célula, y que delimitan canales para el paso entre el nucleoplasma y el citoplasma. Estos canales necesitan gran cantidad de energía para abrirse. Se componen de 8 subunidades proteicas dispuestas en círculo, que delimitan en su interior un canal central llamado diafragma. Existen anillos por el lado citoplasmático y por el nuclear que sirven para delimitar y reforzar los bordes del poro; de estos aparecen una serie de filamentos que los unen entre sí.

Nucleoplasma

Es una solución acuosa donde está sumergida la cromatina y el nucléolo. Su composición incluye enzimas relacionadas con el metabolismo de los ácidos nucleicos, además de nucleótidos. Su función es desplazar el ARN desde su lugar de síntesis en el núcleo hasta los poros.

Nucléolo

En el nucleoplasma destaca la presencia del nucléolo. Suele aparecer solo en el núcleo celular, aunque a veces hay dos o más. Se organizan a partir de las regiones del ADN llamadas organizadores nucleolares. Son estructuras visibles formadas por un conjunto de ADN (escaso, 1-3%), ARN (10-30%) y proteínas (componente mayoritario).

Zonas del nucléolo:

1. Nucleolema: zona activa que produce la transcripción del ADN a ARNr. Presenta dos subzonas:
   • Región fibrilar: zona central del nucléolo, compuesta por fibrillas de ARNr en formación y por ADN de la cromatina.
   • Región granular: de aspecto granular, produce precursores de las subunidades ribosomales que están en proceso de maduración.
2. Zona amorfa: no presenta ninguna estructura observable y es inactiva.

Funciones del nucléolo:

• a) Síntesis del ARNr: parte del ADN que contiene la información para sintetizar ARNr, que se forma en la zona llamada fibrilar.
• b) Formación de los precursores ribosomales: las proteínas ribosómicas, formadas en el citoplasma, se unen dentro del nucléolo al ARNr para formar los precursores de las subunidades de los ribosomas.

La cromatina

Contiene el material genético de la célula, es decir, las moléculas de ADN junto a proteínas, en una estructura empaquetada con distinto grado de condensación. Solo es observable en interfase.

Composición

1. ADN: tiene estructura de doble hélice. En procariotas hay una sola molécula principal de ADN. En células eucariotas, el material genético está fragmentado en varias moléculas distintas de ADN.
2. ARN: tiene estructura de una cadena. Existen varios tipos, sobre todo ARNt y ARNm, pero también algo de ARNr en la zona del nucléolo.
3. Proteínas: son de dos tipos:
   • a) Histonas: proteínas de pequeño tamaño con gran cantidad de aminoácidos básicos. Están unidas al ADN y son responsables del empaquetamiento.
   • b) No histonas: proteínas de distintos tipos, principalmente enzimáticas (implicadas en la duplicación del ADN, la expresión génica y la síntesis de ARN) y estructurales (responsables de la condensación de la cromatina para formar cromosomas durante la división celular).

La estructura básica de la cromatina es el nucleosoma, unidad básica de empaquetamiento del ADN con las histonas. Cada nucleosoma está formado por un grupo de 8 histonas (octámero). El octámero de histonas contiene 2 unidades de cada una de las cuatro histonas, y está rodeado por la fibra de ADN, que da 1,65 vueltas alrededor. El conjunto nucleoproteico (ADN + histonas) forma la cromatina.

Tipos de cromatina según su grado de condensación

1. Eucromatina: está sin condensar o muy poco condensada. Es la mayor parte (90%) y se encuentra en todo el núcleo. Hay dos tipos:
   • a) Forma activa: es la que está realizando la transcripción. No necesita condensación.
   • b) Forma inactiva: algo más condensada.
2. Heterocromatina: está muy condensada. Hay dos tipos:
   • a) Constitutiva: siempre está condensada en todas las células y no se transcribe.
   • b) Facultativa: puede estar condensada o no, según el tipo de célula en el que se encuentre.

Los cromosomas

Son la cromatina cuando alcanza su mayor grado de condensación. Se componen de dos cromátidas idénticas y paralelas, unidas por el centrómero. Cada cromátida está formada por una molécula de ADN unida a las histonas correspondientes. Así, en un cromosoma interfásico, con dos cromátidas, hay dos moléculas de ADN idénticas, a causa de la duplicación del ADN durante la fase S del ciclo celular.

La posición del centrómero es una característica de cada cromosoma y permite clasificarlos según la forma del centrómero:

• Metacéntrico: brazos de igual longitud.
• Submetacéntrico: centrómero más cerca del centro.
• Acrocéntrico: centrómero más cerca del extremo.
• Telocéntrico: solo tiene un brazo.

El cinetocoro es una proteína que sirve de anclaje para los microtúbulos del huso mitótico, encargados de tirar del cromosoma durante la división celular.

El extremo de la cromátida se llama telómero y contiene ADN no codificante y repetitivo. En algunas zonas de las cromátidas suele haber una zona estrecha parecida al centrómero, pero sin unión entre otra cromátida, llamada constricción secundaria.

Existen dos tipos de cromosomas:

1. Somáticos o autosomas: codifican las características generales, no sexuales, salvo que existan mutaciones que afecten a la forma.
2. Sexuales o heterosomas: determinan el sexo. Hay dos tipos: X e Y.

La reproducción celular y el ciclo celular

La reproducción celular es el mecanismo por el que se generan nuevas células. La mayor parte de las células de un organismo pluricelular se reproduce por división mitótica, que permite el crecimiento y la renovación de los tejidos.

El ciclo celular consta de dos etapas: interfase y división celular.

1) Interfase

Es el periodo existente entre dos divisiones sucesivas. La célula crece y duplica su ADN. Se divide en tres fases:

• a) Fase G1: la célula crece hasta alcanzar un tamaño adecuado para seguir con el proceso de duplicación genética, que acabará en la división. Aquí la célula tiene una sola copia del material genético. Durante esta fase hay un punto de restricción: si se supera, se determina la continuidad irreversible del proceso hasta la siguiente división; si no se supera, la célula queda en estado de reposo, llamado G0 (cero).
• b) Fase S: se produce la replicación del ADN y la síntesis de las histonas necesarias para formar la cromatina. El ADN y las histonas se organizan en forma de cromatina.
• c) Fase G2: fase preparatoria de la mitosis. Se sintetizan las proteínas encargadas de iniciar y desarrollar los procesos de desorganización de la envoltura nuclear. La cromatina se condensa para formar cromosomas.

2) División celular

Consta de dos etapas: mitosis (división del núcleo) y citocinesis (división del citoplasma).

Duración y control del ciclo celular: varía según el tipo de célula. Por ejemplo, en las células humanas puede durar entre un día y un año.

Mitosis

Consiste en el reparto del material genético entre dos núcleos hijos que van a formarse. Para ello, la célula madre duplica su ADN en la fase S. Debe desorganizar la envoltura nuclear, condensar la cromatina y organizar un sistema de distribución de los cromosomas para que las cromátidas sean exactas.

Este sistema de reparto se basa en el establecimiento de un conjunto de microtúbulos llamado huso mitótico o acromático. En las células animales se duplica una pareja de centriolos. Durante la interfase se produce la fragmentación y despolimerización del citoesqueleto.

Etapas de la mitosis:

1. Profase:
   • Se condensan las cromátidas para definir los cromosomas.
   • Desaparecen los nucléolos.
   • Se separan los dos centrosomas, que emigran hacia los polos opuestos de la célula. Entre los polos se forma el huso acromático, formado por microtúbulos.
   • Se rompe la envoltura nuclear en vesículas, que luego se reabsorberán.
   • Los cromosomas se unen a los filamentos del huso a través del cinetocoro.
2. Metafase: los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación y se disponen en la zona intermedia del huso mitótico, formando la placa ecuatorial.
3. Anafase:
   • Los filamentos del huso se acortan y comienza la atracción de los cromosomas. Un filamento tira del cinetocoro de una cromátida hacia uno de los polos y otro filamento tira de la otra hacia el polo opuesto.
   • El cromosoma se separa en dos cromátidas.
   • El huso se alarga, distanciando aún más los polos.
   • Se inicia la formación de material denso en el plano ecuatorial del huso, lo que provoca el inicio de la citocinesis.
4. Telofase:
   • Finaliza la migración de los cromosomas al llegar a los polos.
   • Se inicia la descondensación de los cromosomas.
   • Reaparecen los nucléolos.
   • Desaparecen los filamentos del huso.
   • Comienza a reconstruirse la envoltura nuclear.

Citocinesis

Es el reparto del citoplasma y sus orgánulos entre las dos células hijas que se forman.

• a) Célula animal: se inicia durante la anafase de la mitosis, con una invaginación de la membrana pequeña. Esta crece y forma un anillo contráctil que estrecha la célula.
• b) Célula vegetal: al tener pared celular rígida, no puede desarrollarse el proceso propio de las células animales. Aquí debe formarse una nueva pared celular en el interior del citoplasma.

Meiosis

Es la división que deben realizar las células de los organismos que van a formar gametos, destinada a la reproducción sexual. La meiosis dará lugar a células haploides. Así, cada célula hija recibirá solo un cromosoma de cada pareja de cromosomas homólogos. La recombinación genética aumenta la variabilidad.

Primera división meiótica

1. Profase I: tiene lugar la recombinación genética. Los cromosomas intercambian partes de sus brazos con sus homólogos. Para que se produzca la recombinación, los cromosomas homólogos deben emparejarse entre sí. Esto ocurre mediante la formación de una estructura de fibras proteicas que une una cromátida de un cromosoma con una cromátida del homólogo. Esta estructura de unión se llama complejo sinaptonémico, y dentro de ella hay enzimas encargadas del proceso de intercambio de fragmentos de las cromátidas. Estas enzimas forman un conjunto llamado nódulo de recombinación. Al producirse el intercambio de segmentos entre cromosomas homólogos aparecen puntos de cruce, llamados quiasmas.

   La profase I se organiza en cinco periodos:

   • a) Leptoteno: los cromosomas se hacen visibles y se unen a la envoltura nuclear cerca de los centriolos.
   • b) Cigoteno: se inicia el emparejamiento de los cromosomas homólogos, que están unidos por el complejo sinaptonémico.
   • c) Paquiteno: una vez unidos los cromosomas homólogos, se forma el nódulo de recombinación, que inicia el intercambio de segmentos entre las cromátidas de los homólogos.
   • d) Diploteno: desaparece el complejo sinaptonémico y se separan algo más los homólogos.
   • e) Diacinesis: los quiasmas se desplazan hacia los extremos de las cromátidas. El cromosoma sigue condensándose y se inicia la desaparición del nucléolo y de la envoltura nuclear.
2. Metafase I: los bivalentes se ubican en la placa ecuatorial. Se da el máximo grado de condensación cromosómica.
3. Anafase I: se separan los cromosomas homólogos. Esta separación hace que a cada polo vaya la mitad de los cromosomas.
4. Telofase I: los cromosomas homólogos llegan a sus polos y empiezan a aparecer las envolturas nucleares, mientras se inicia la citocinesis.

Segunda división meiótica

Ocurre en núcleos haploides. El número de cromosomas sobre el que se produce la separación de cromátidas es la mitad de los cromosomas del organismo.

1. Profase II: se condensan los cromosomas y desaparecen los vestigios de las envolturas nucleares, si se hubieran formado durante la telofase I.
2. Metafase II: los cromosomas se colocan en la placa ecuatorial. Los filamentos del huso inician la tracción de las cromátidas de cada cromosoma en sentido opuesto, hacia polos diferentes.
3. Anafase II: se produce la migración de las cromátidas hacia los polos.
4. Telofase II: los cromosomas alcanzan los polos y comienza la formación de las envolturas nucleares, mientras el huso va desapareciendo.

Resultado: la meiosis de una célula diploide da lugar a cuatro células hijas haploides.

Gametogénesis

La meiosis forma parte del proceso de la gametogénesis, por el cual los organismos con reproducción sexual forman sus gametos. Estas células haploides formarán, mediante la unión de gametos, el cigoto. Existen dos tipos de gametogénesis:

• Espermatogénesis: formación de los gametos masculinos, llamados espermatozoides en los animales.
• Ovogénesis: formación de los gametos femeninos u óvulos.

En ambos casos partimos de células germinales diploides que se dividen por mitosis en el interior de los órganos sexuales. Estas células germinales se llaman espermatogonias y oogonias. Deben seguir un proceso de crecimiento que las convierte en espermatocitos y oocitos, células que experimentarán la meiosis.

• En la espermatogénesis, las células intermedias resultantes de la primera división meiótica se llaman espermatocitos de segundo orden. La meiosis de cada espermatocito de primer orden origina cuatro espermátidas. Estas solo tienen que crecer hasta convertirse en espermatozoides. Este crecimiento implica pérdida de citoplasma, formación del flagelo y disposición del acrosoma.
• En la ovogénesis, los oocitos de primer orden son células muy grandes que han acumulado numerosas sustancias nutritivas en el citoplasma. Tras la primera división meiótica se produce un reparto desigual del citoplasma.

Meiosis y evolución

Junto con la mutación, la meiosis es el proceso que sirve para incrementar la variabilidad genética de la especie. Este incremento de variabilidad se consigue por:

• a) el reparto de cromosomas distinto en cada división meiótica;
• b) la existencia del proceso de recombinación cromosómica que ocurre durante la profase I.

Genética mendeliana

Tema 11. La genética mendeliana es la ciencia que establece las leyes que explican la herencia biológica, es decir, la forma en que los caracteres de los progenitores aparecen en sus descendientes.

Conceptos básicos

• Carácter: característica biológica que se transmite de una generación a la siguiente. Hay dos tipos:
  • Cualitativo: presenta una variabilidad limitada.
  • Cuantitativo: presenta una variabilidad muy elevada.
• Gen: factor hereditario que se transmite de una generación a la siguiente, sin mezclarse, y que determina un único carácter. Se define como un fragmento de ADN que codifica la información para la síntesis de una proteína.
• Diploide: organismo que presenta dos copias de cada gen, una en cada cromosoma homólogo. A cada copia se le llama alelo.
  • Si los dos alelos de un gen son iguales, el individuo es homocigótico para ese carácter.
  • Si los dos alelos son distintos, es heterocigótico.
• En el caso de un individuo heterocigótico para un carácter:
  • El alelo que se muestra es dominante, y el que no se muestra es recesivo.
  • Si ambos alelos se muestran, existe una mezcla o codominancia.
• Genotipo: conjunto de genes de un individuo.
• Fenotipo: manifestación de los genes cuando se expresan. Por ejemplo, el genotipo es el gen que determina el color de ojos, y el fenotipo es el color verde.

Primera ley de Mendel

Se cruzan dos variedades distintas homocigóticas para un carácter. Explicación actual del experimento: un organismo diploide tiene un par de alelos para cada carácter. En la gametogénesis, los alelos se segregan, quedando en cada gameto un solo alelo.

Segunda ley de Mendel

Se cruzan entre sí los heterocigóticos de la primera generación filial, y se observa que los miembros de la segunda generación filial presentan distintos fenotipos.

Retrocruzamiento

Es el cruce entre un individuo y uno de sus progenitores. Un cruzamiento de prueba es el retrocruzamiento, en el que utilizamos un progenitor homocigótico recesivo. Esto nos sirve para diferenciar los individuos homocigóticos de los heterocigóticos.

Mendelismo complejo

• Herencia intermedia: ocurre cuando los dos alelos presentes en un heterocigótico se expresan con un fenotipo intermedio entre el de los progenitores homocigóticos.
• Codominancia y alelismo múltiple: dos alelos son codominantes cuando, al estar juntos en un par alélico, se expresan los dos. El alelismo múltiple ocurre cuando aparecen más de dos alelos variantes para un gen determinado.

Teoría cromosómica de la herencia

• Los factores hereditarios se localizan en los cromosomas.
• Los genes se disponen linealmente en los cromosomas, uno detrás de otro. El lugar donde se encuentra un gen se llama locus.
• Todos los genes del mismo cromosoma están ligados y se transmiten juntos.

Sexo y genética

Existen cuatro tipos de determinación del sexo:

1. Cromosómica: aparece un par de cromosomas que codifica toda la información necesaria para la determinación del sexo. Estos cromosomas se llaman cromosomas sexuales o heterocromosomas, y el resto se denominan autosomas.
2. Por haplodiploidía: las hembras son diploides y los machos haploides.
3. Génica: hay genes que determinan si el individuo va a ser macho o hembra.
4. Por proporción cromosómica: (el texto original se encuentra incompleto en este punto).