El Núcleo Celular Eucariota y el Ciclo de División Celular: Mitosis y Meiosis

T9: El Núcleo Eucariótico

Descrito por Braun en 1858. Es un orgánulo membranoso característico de las células eucariotas.

Su función principal es la compartimentalización del material genético (ADN), separándolo del citoplasma. En él ocurren la síntesis y procesamiento del ARN, así como la síntesis de proteínas ribosomales.

El ADN nuclear está asociado a proteínas llamadas histonas. Generalmente, hay un único núcleo por célula, ocupando aproximadamente el 10% del volumen celular. Sin embargo, algunas células, como los hepatocitos y ciertos protistas, pueden ser binucleadas o multinucleadas. Los núcleos sincitiales se forman por fusión celular (plasmodios) o por endomitosis (divisiones nucleares sin división del citoplasma).

Tiene forma generalmente esférica y suele localizarse en el centro de la célula. Su tamaño varía entre 5 y 25 µm.

Estructura del Núcleo Interfásico

La estructura del núcleo varía según el estadio del ciclo celular. Durante la interfase (periodo entre divisiones), presenta los siguientes componentes:

Envoltura Nuclear

Es una doble membrana (externa e interna) que delimita el núcleo y separa su contenido del citoplasma. Entre ambas membranas queda el espacio perinuclear. La envoltura está perforada por numerosos poros nucleares, complejos proteicos que regulan el intercambio y transporte de moléculas entre el núcleo y el citoplasma. Cada poro tiene una estructura anular formada por aproximadamente 8 proteínas, con un canal central de unos 100 Å (Angstroms) y un diámetro total de unos 800 Å.

Cromatina

Es el complejo formado por ADN y proteínas (principalmente histonas) que constituye los cromosomas eucarióticos. Se distinguen varios tipos:

• Eucromatina: Cromatina menos condensada, genéticamente activa (donde ocurre la transcripción).
• Heterocromatina: Cromatina más condensada, genéticamente inactiva. Se subdivide en:
  • Constitutiva: Permanentemente condensada en todas las células (ej. centrómeros, telómeros).
  • Facultativa: Se condensa o descondensa según el tipo celular o el momento del desarrollo (ej. corpúsculo de Barr).

Nucléolo

Es una estructura esférica densa, no membranosa, visible dentro del núcleo interfásico. Su función principal es la síntesis del ARN ribosómico (ARNr) y el ensamblaje de las subunidades ribosomales. Está compuesto principalmente por ADN (organizadores nucleolares), ARN (ARNr) y proteínas. Se distinguen zonas morfológicas relacionadas con la transcripción y el ensamblaje:

• Centro fibrilar: Contiene ADN y enzimas para la transcripción.
• Componente fibrilar denso: Donde se transcribe el ARNr.
• Componente granular: Donde se ensamblan las subunidades ribosomales.

Nucleoplasma (o Carioplasma)

Es el medio interno del núcleo, una dispersión coloidal similar a un gel que contiene enzimas, metabolitos y los componentes nucleares (cromatina, nucléolo). Incluye una red de proteínas fibrilares llamada lámina nuclear (parte del citoesqueleto nuclear) que cumple dos funciones principales: mantener la forma del núcleo y anclar la cromatina. En el nucleoplasma ocurren procesos clave como la replicación del ADN y la transcripción del ARN.

Núcleo Mitótico y Cromosomas

Durante la división celular (mitosis o meiosis), el núcleo sufre transformaciones drásticas, destacando la formación de los cromosomas por un aumento progresivo en el grado de estructuración y condensación de la cromatina.

Cromosomas

El número y la morfología de los cromosomas son característicos de cada especie.

Estructura del Cromosoma Metafásico

Durante la metafase, los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación y son más visibles. Un cromosoma metafásico típico consta de:

• Dos cromátidas hermanas: Cada una contiene una molécula idéntica de ADN, resultado de la replicación.
• Centrómero: Región de constricción que une las dos cromátidas. Contiene el cinetocoro, una estructura proteica donde se anclan los microtúbulos del huso mitótico.

Según la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en:

• Metacéntricos: Centrómero en el centro, brazos de igual longitud.
• Submetacéntricos: Centrómero desplazado, brazos de diferente longitud.
• Acrocéntricos: Centrómero muy cerca de un extremo, un brazo muy corto.
• Telocéntricos: Centrómero en el extremo (no presentes en humanos).

Telómeros

Son los extremos de los cromosomas. Están formados por secuencias repetitivas de ADN. Sus funciones principales son:

• Evitar la pérdida de material genético durante la replicación.
• Proteger los extremos de los cromosomas de la degradación y de fusiones con otros cromosomas.
• Contribuir a la fijación de los cromosomas a la envoltura nuclear en ciertas etapas.

T10: El Ciclo Celular

Es la secuencia ordenada de eventos que ocurren desde que una célula se forma por división de una célula progenitora hasta que se divide para dar lugar a dos células hijas. Comprende un período de crecimiento y un período de división. Consta de dos etapas principales: la interfase (crecimiento y preparación) y la fase M (división del núcleo y división del citoplasma).

Interfase

Es el período más largo del ciclo celular, comprendido entre dos divisiones sucesivas (fases M). Durante la interfase, la célula crece, duplica su material genético y se prepara para la división. Se subdivide en tres fases:

Fase G1 (Gap 1)

Período posterior a la división celular (fase M) y anterior a la síntesis de ADN (fase S). La célula crece activamente, realiza sus funciones metabólicas normales y sintetiza proteínas y otros materiales celulares. Es un punto de control crucial.

Fase G0 (Gap 0)

Algunas células, tras la fase G1, entran en un estado de quiescencia o reposo proliferativo llamado G0. Pueden permanecer en G0 temporal o permanentemente (células diferenciadas terminalmente, como las neuronas).

Fase S (Síntesis)

Fase en la que ocurre la replicación del ADN. Cada cromosoma pasa de tener una cromátida a tener dos cromátidas hermanas idénticas. También se sintetizan las histonas.

Fase G2 (Gap 2)

Período entre la fase S y el inicio de la fase M. La célula continúa creciendo y se prepara activamente para la división celular. Se completa la síntesis de proteínas necesarias para la mitosis (como las histonas), el ADN comienza a condensarse y aumenta la síntesis de ARN mensajero (ARNm).

Control del Ciclo Celular

El ciclo celular está finamente regulado para asegurar que las fases ocurran en el orden correcto y que el ADN se replique y reparta sin errores. La regulación se basa principalmente en:

• Regulación enzimática: Proteínas clave como las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas (CDKs) controlan la progresión a través de los puntos de control (checkpoints), principalmente en G1, G2 y la fase M.
• Factores de crecimiento: Señales externas que se unen a receptores de membrana, activando cascadas enzimáticas que promueven la división celular.
• Otros factores: El tamaño celular, la disponibilidad de nutrientes, la temperatura y la edad celular también influyen en la progresión del ciclo.
• Apoptosis: Muerte celular programada que elimina células dañadas o innecesarias, jugando un papel crucial en el control del ciclo y la prevención del cáncer.

Fase M: Mitosis y Citocinesis

La fase M incluye la división nuclear (mitosis) y la división citoplasmática (citocinesis).

Mitosis

Es el proceso de división del núcleo en el que una célula madre diploide (2n) da lugar a dos células hijas genéticamente idénticas, también diploides (2n). Se distinguen dos tipos:

• Mitosis abierta: La envoltura nuclear se desintegra (típica de animales y algunos protistas).
• Mitosis cerrada: La envoltura nuclear permanece intacta (típica de hongos y algunos protistas).

La mitosis se divide convencionalmente en las siguientes fases:

Profase

• La cromatina se condensa progresivamente para formar los cromosomas visibles.
• Los centriolos (en células animales) se duplican durante la interfase y migran a polos opuestos de la célula.
• Desaparece el nucléolo.
• Comienza a desorganizarse la envoltura nuclear (en mitosis abierta).
• Se inicia la formación del huso mitótico (o acromático), una estructura de microtúbulos que se extiende entre los polos.
• Los cromosomas comienzan a moverse hacia la periferia nuclear.

Prometafase

• La envoltura nuclear se desintegra completamente (en mitosis abierta).
• Los microtúbulos del huso mitótico invaden el área nuclear y se unen a los cinetocoros de los cromosomas.
• Los cromosomas son movidos activamente por los microtúbulos.

Metafase

• Los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación.
• Los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de la célula, formando la placa metafásica.
• Cada cromátida hermana está orientada hacia un polo opuesto de la célula.

Anafase

• Las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan simultáneamente a nivel del centrómero.
• Cada cromátida separada se convierte en un cromosoma hijo independiente.
• Los cromosomas hijos son arrastrados hacia los polos opuestos de la célula debido al acortamiento de los microtúbulos cinetocóricos y al alargamiento de los microtúbulos polares.

Telofase

• Los cromosomas hijos llegan a los polos opuestos de la célula.
• Los cromosomas comienzan a descondensarse, volviendo al estado de cromatina.
• Desaparecen los microtúbulos del huso mitótico.
• Se reconstruye la envoltura nuclear alrededor de cada conjunto de cromosomas.
• Reaparece el nucléolo en cada núcleo hijo.
• Marca el fin de la mitosis.

Citocinesis

Es la división del citoplasma, que generalmente comienza durante la anafase o telofase y finaliza poco después de la mitosis. El mecanismo difiere entre células animales (anillo contráctil de actina y miosina) y vegetales (formación del fragmoplasto y la placa celular).

Meiosis

Es un tipo especial de división celular que ocurre en las células germinales (localizadas en las gónadas en animales) para producir gametos (óvulos y espermatozoides) o esporas haploides (n). Reduce a la mitad el número de cromosomas de la célula madre diploide (2n). Consiste en dos divisiones nucleares sucesivas (Meiosis I y Meiosis II) precedidas por una única replicación del ADN.

Meiosis I (División Reduccional)

Separa los cromosomas homólogos.

Profase I

Es la fase más larga y compleja de la meiosis. Se subdivide en varias etapas:

• Leptoteno: Los cromosomas (ya duplicados en la interfase previa, cada uno con dos cromátidas) comienzan a condensarse y hacerse visibles. Se forma el huso meiótico.
• Zigoteno: Los cromosomas homólogos se aparean íntimamente en un proceso llamado sinapsis, formando el complejo sinaptonémico. Las parejas de homólogos apareados se denominan bivalentes o tétradas (por tener 4 cromátidas).
• Paquiteno: Ocurre el entrecruzamiento (crossing-over), intercambio de segmentos de ADN entre cromátidas no hermanas de cromosomas homólogos. Esto genera recombinación genética.
• Diploteno: Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, pero permanecen unidos en los puntos donde ocurrió el entrecruzamiento, llamados quiasmas. El complejo sinaptonémico se desintegra.
• Diacinesis: Los cromosomas alcanzan su máxima condensación. Los quiasmas se terminalizan (desplazan hacia los extremos). Desaparece el nucléolo y se desintegra la envoltura nuclear.

Metafase I

Los bivalentes (tétradas) se alinean en el plano ecuatorial de la célula. Los cinetocoros de las cromátidas hermanas de un cromosoma homólogo están orientados hacia el mismo polo, y los del homólogo opuesto, hacia el polo contrario.

Anafase I

Se separan los cromosomas homólogos (no las cromátidas hermanas). Cada cromosoma homólogo, todavía constituido por dos cromátidas, migra hacia un polo opuesto de la célula. Esta es la etapa donde se reduce el número de cromosomas.

Telofase I

Los cromosomas homólogos llegan a los polos opuestos. Se puede formar o no una envoltura nuclear transitoria. Generalmente ocurre la citocinesis, dando lugar a dos células hijas haploides (n), pero cada cromosoma aún tiene dos cromátidas.

Meiosis II (División Ecuacional)

Es muy similar a una mitosis. Separa las cromátidas hermanas de cada cromosoma. No está precedida por una fase S.

• Profase II: Si se formó envoltura nuclear en Telofase I, desaparece. Los cromosomas (con dos cromátidas) se condensan. Se forma el huso.
• Metafase II: Los cromosomas se alinean en el plano ecuatorial de cada célula hija.
• Anafase II: Se separan las cromátidas hermanas. Cada cromátida se convierte en un cromosoma hijo y migra a un polo opuesto.
• Telofase II: Los cromosomas hijos llegan a los polos. Se descondensan. Se forma la envoltura nuclear y reaparece el nucléolo.
• Citocinesis: Ocurre la división del citoplasma, resultando en un total de cuatro células hijas haploides (n), cada una con cromosomas de una sola cromátida. Estas células son genéticamente diferentes entre sí y de la célula madre debido al entrecruzamiento y la segregación independiente de homólogos.

Ciclos Biológicos

La alternancia entre meiosis y fecundación define los ciclos biológicos de los organismos con reproducción sexual:

• Ciclo diplonte: El organismo adulto es diploide (2n). La meiosis ocurre para formar gametos haploides (n). La fase haploide está reducida a los gametos. Típico de animales.
• Ciclo haplonte: El organismo adulto es haploide (n). El cigoto diploide (2n) formado tras la fecundación sufre meiosis inmediatamente para dar lugar a células haploides que desarrollarán el organismo adulto. La fase diploide está reducida al cigoto. Típico de muchas algas y hongos.
• Ciclo haplodiplonte (o diplohaplonte): Existe una alternancia de generaciones, con una fase adulta diploide (esporofito, 2n) y una fase adulta haploide (gametofito, n). El esporofito produce esporas haploides por meiosis, y el gametofito produce gametos haploides por mitosis. Típico de plantas y algunas algas.