EL NÚCLEO Y LA REPRODUCCIÓN CELULAR

1. Núcleo: envoltura nuclear, nucleoplasma, cromatina y nucléolo.

El núcleo es característico de la célula eucariota. Aunque sólo existe durante la interfase (núcleo interfásico), y desaparecen sus límites durante la división celular, suele hablarse también de núcleo mitótico o meiótico para definir la condensación de la cromatina para formar los cromosomas.

Se localiza casi siempre en posición central aunque puede ser lateral (células vegetales), basal (células secretoras), etc.; suele ser esférico, con excepciones (lobulado en algunos glóbulos blancos).

Suele existir uno por célula, aunque existen células plurinucleadas, en cuyo caso pueden proceder de la unión de varias células formando un sincitio (células musculares estriadas esqueléticas); o pueden formarse por división sucesiva del núcleo sin la citocinesis, formando un plasmodio. Hay excepciones de células sin núcleo (eritrocitos de mamíferos).

1.1. Envoltura nuclear.

Se desorganiza cuando comienza la división celular. Es doble, al ser prolongación del R.E.R. Tiene varios componentes:

· Membrana nuclear externa. Prolongación del R.E.R. Tiene ribosomas adosados.

· Membrana nuclear interna. Está conectada con una red fibrosa de proteínas denominada corteza nuclear o lámina fibrosa que sirve de soporte a la envoltura y de lugar de anclaje de la cromatina en ciertos puntos.

· Espacio intermembrana o perinuclear. Se prolonga hacia la luz del R.E.R.

· Poro nuclear. Son orificios que aparecen y desaparecen en la envoltura. Permiten el paso de pequeñas moléculas en ambos sentidos por transporte pasivo, pero las de mayor tamaño lo hacen por transporte activo y en un sentido determinado. El poro nuclear está delimitado por ocho bloques de proteínas, y dos anillos de proteínas que refuerzan la estructura. El orificio o diafragma queda taponado por una masa de proteínas que actúan de barrera de control: permite la entrada de histonas, riboproteínas, etc., y la salida de ARNm, precursores ribosomales, etc.

1.2. Nucleoplasma o carioplasma.

Es el medio acuoso donde se encuentran inmersos los demás componentes del núcleo. Contiene proteínas, especialmente enzimas relacionados con el metabolismo del ADN y del ARN, nucleótidos, etc.

1.3. Nucleolo.

Se trata de una estructura esférica visible dentro del núcleo. Interviene en la síntesis de ARN de las subunidades ribosómicas. En ocasiones puede aparecer más de un nucleolo.

Está constituido por proteínas y ácidos nucleicos, ADN (1-3%) y ARN (10-30%). Interviene en la transcripción de ARNr, gracias a la fracción de ADN nucleolar (organizador nucleolar), para formar ribosomas. Los ARNr recién fabricados maduran y se ensamblan con las proteínas ribosómicas procedentes del citoplasma, para formar subunidades 40S y 60S, que salen a través de los poros nucleares hacia el citoplasma, donde se ensamblan a su vez en presencia de ARNm.

1.4. Cromatina.

Está compuesta por ADN plegado, asociado a proteínas básicas, las histonas. Cuando la cromatina se condensa para formar el cromosoma, se ayuda a otro tipo muy variado de proteínas no histonas: enzimáticas, contráctiles y otras. Asociado a la cromatina, transcribiéndose, existe ARNt, ARNm y ARNr.

En el núcleo interfásico, la doble hélice de ADN se une a histonas organizándose en nucleosomas para formar la cromatina. Así, según Kornberg, ocho moléculas de histona se unen y quedan rodeadas por casi dos vueltas de doble cadena de ADN constituyendo un nucleosoma. La doble hélice de ADN se continúa para unir dos nucleosomas formando un lazo internucleosómico, que está asociado a una molécula de histona, la H1; nucleosoma y lazo forman el cromatosoma.

Las histonas son proteínas de bajo peso molecular, que contienen una elevada proporción de aminoácidos básicos (lisina y arginina). Se dividen en dos grupos: histonas nucleosómicas (forman el nucleosoma) e histona H1 (une los complejos nucleosómicos) y es la responsable del plegamiento helicoidal de la fibra elemental de cromatina o unidad elemental de cromatina de 10 nm de grosor, para formar la fibra nucleosómica compleja de 30 nm.

Se distinguen dos tipos de cromatina en el núcleo interfásico:

· Eucromatina. Poco condensada (90% del total): forma activa (se transcribe en ese instante); forma inactiva (es susceptible de transcribirse).

· Heterocromatina. Muy condensada, forma grupos visibles con el ME: constitutiva (no se transcribe nunca), facultativa (puede estar o no condensada).

1.5. Los cromosomas.

En el núcleo en división, las fibras complejas de 30 nm se hallan plegadas sobre las proteínas no histonas alcanzando otros niveles de compactación y enrollamiento sucesivos hasta llegar a constituir los cromosomas, visibles con el microscopio óptico.

El número, tamaño y forma de los cromosomas depende de cada especie. Además, en los organismos haploides aparecen n cromosomas, un solo juego; en los organismos diploides hay dos cromosomas iguales de cada tipo (2n); en los organismos poliploides, el número de cromosomas de cada tipo es mayor de dos.

El cromosoma metafásico, perfectamente visible en metafase, tiene dos cromátidas hermanas, con idéntico ADN procedente de la duplicación durante la fase S de la interfase; mientras que el cromosoma anafásico aparece después de la metafase, en anafase, y está formado por una sola cromátida al escindirse el cromosoma doble durante esta etapa de la mitosis.

Los cromosomas son estructuras cilíndricas en las que se aprecian varias partes y componentes:

· Centrómero. Divide la cromátida en dos brazos. Incluye unas placas o estructuras proteicas (cinetocoros) a las que están conectados los microtúbulos cromosómicos del huso mitótico. Según la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en metacéntricos, submetacéntricos, acrocéntricos y telocéntricos.

· En algunos puntos, las cromátidas tienen adelgazamientos. Se suelen corresponder con los organizadores nucleolares, porciones de ADN que forman parte del nucléolo.

· Los extremos de las cromátidas se denominan telómeros. Debido al mecanismo enzimático de duplicación del ADN, una de las cadenas no puede duplicarse hasta su extremo, pierde parte de su longitud (entre 50 y 200 nucleótidos). Al cabo de cierto número de divisiones, los cromosomas presentan cierto “desgaste” por lo que la célula deja de dividirse o se desencadenan procesos de apoptosis o muerte celular programada. Tanto en las células madre como en las células cancerosas los telómeros presentan mecanismos de reparación que impiden el acortamiento de la cadena de ADN.

El cariotipo o idiotipo es el conjunto de rasgos característicos de los cromosomas de cada especie (tamaño, forma, bandas en los brazos, etc.). Cada cromosoma o pareja de cromosomas se designa con un número, excepto los cromosomas sexuales que se denominan con las letras X e Y.

2. La reproducción celular y el ciclo celular.

La reproducción celular es el mecanismo por el que se generan nuevas células. Se lleva a cabo mediante la división mitótica. En seres unicelulares, supone la duplicación del individuo, pero en seres pluricelulares permite el crecimiento y la renovación de los tejidos. La reproducción celular es una parte del ciclo de vida de las células, en el que se suceden las fases de crecimiento y reproducción: el ciclo celular.

2.1. Ciclo celular.

El ciclo de vida de las células incluye dos fases: interfase y división celular.

· Interfase. Es el tiempo transcurrido entre dos procesos mitóticos consecutivos, durante el cual la célula lleva a cabo su metabolismo y aprovecha para duplicar su material genético (proceso necesario para llevar a cabo la siguiente división). Comprende tres etapas:

- Periodo G1. De duración variable. Comienza tras la última división. Se produce la síntesis de proteínas y ARNm y, por tanto, una intensa actividad biosintética para el crecimiento celular. En este periodo es cuando la célula decide el momento en que entrará en división: en un punto del final de la fase G1 llamado punto de restricción o de arranque, la célula evalúa su capacidad para completar el ciclo celular y producir dos células hijas (el punto de arranque está regulado por un tipo de proteína, las ciclinas).

Si la evaluación resulta negativa, la célula detiene su ciclo celular, deja de dividirse y entra en un estado de reposo o fase G0. Las células especializadas como las neuronas o los glóbulos rojos, permanecen indefinidamente en esta fase. En otros casos, la célula puede volver a la fase G1, cruzar el punto de restricción y comenzar de nuevo a dividirse (células epiteliales).

Si la evaluación resulta positiva, la célula está autorizada para replicar el ADN y entrar en división celular. Una vez que se ha dado la señal de continuar, la célula no puede regresar a la fase G1.

- Período S. Una vez que la célula ha doblado su tamaño comienza la duplicación del par de centriolos y se producen la síntesis de ADN y la replicación de los cromosomas con el fin de que cada una de las células hijas contenga una copia idéntica del genoma. En este momento, y hasta el final de la mitosis, la célula es tetraploide, por tener dos juegos de cromosomas dobles. Continúa la síntesis de ARNm y se sintetizan histonas.

- Período G2. Se desarrolla justo antes del comienzo de la mitosis. Continúa la producción de ARNm para la síntesis de proteínas. La célula contiene ya doble cantidad de ADN y la cromatina comienza a condensarse en estructuras compactas que serán los cromosomas.

· División celular. En esta etapa, cada célula se divide en dos o más células hijas. Consta, a su vez, de dos procesos: mitosis o división nuclear (también llamada cariocinesis); y citocinesis o división del citoplasma.

La función de reproducción o división celular es un proceso que permite el mantenimiento de la especie. Las nuevas células formadas poseen la misma información genética que su progenitora.

El momento preciso en que se debe producir la división celular está determinado por causas diversas (tamaño del núcleo, tamaño del citoplasma, presencia de determinadas sustancias químicas, etc.).

2.2. La duración y el control del ciclo celular.

Varía de unas células a otras: en procariotas es muy corto (20'), en células humanas entre un día y un año, o más.

Depende del período G1: durante esta fase, la célula puede entrar en el periodo de reposo, G0, y permanecer en él un tiempo hasta volver al G1 o de forma indefinida, como es el caso de los glóbulos rojos maduros.

El ciclo está regulado por proteínas (ciclinas y quinasas) que controlan en diversos momentos que se dan las condiciones para pasar a la siguiente fase.

3. División celular.

La mitosis es el proceso de reparto equitativo del material genético entre los dos núcleos hijos que se van a formar. Para ello se establece una red de microtúbulos móviles que forman el huso mitótico, organizado por los centrosomas. Previamente deben ocurrir varios sucesos:

1. En las células animales se duplican los centriolos que forman el centrosoma. Las células vegetales carecen de ellos.

2. Se produce la fragmentación y desorganización del citoesqueleto.

3. Se duplica el material genético de la célula en la fase S del ciclo.

La mitosis consta de cuatro fases (profase, metafase, anafase y telofase).

· Profase. Se producen los siguientes acontecimientos:

-Los filamentos de cromatina se condensan para formar cromosomas con dos cromátidas que se mantienen unidas por el centrómero.

- Los nucléolos desaparecen.

- Se forma el huso mitótico, constituido por fibras de microtúbulos polares que se polimerizan en las proximidades de cada pareja de centriolos conforme éstas se alejan y se desplazan hacia los polos de la célula. En células vegetales, el huso sale de los organizadores de microtúbulos (centrosomas sin centriolos).

- Desaparece la membrana nuclear.

- Los cromosomas se unen a los microtúbulos cinetocóricos del huso mitótico, a través de sus cinetocoros.

· Metafase. De corta duración.

- Los cromosomas alcanzan su grado máximo de condensación.

- Los cromosomas adquieren forma de V y se disponen en el ecuador de la célula, con el centrómero en el vértice, y los brazos de los cromosomas hacia la periferia celular. La estructura así formada se denomina placa ecuatorial.

· Anafase. Los procesos más importantes son:

- Se escinde el centrómero de cada cromosoma y cada cromátida de la pareja. Ya como cromosoma individualizado, se dirige hacia un polo de la célula debido al acortamiento progresivo de los microtúbulos.

- Se inicia la formación de material denso en el plano ecuatorial del huso, previo al comienzo de la citocinesis.

· Telofase. Es la última etapa de la mitosis.

-
Los cromosomas, formados por una sola cromática, alcanzan los polos.

- Comienza a desenrollarse los cromosomas los cromosomas.

- Se forman los nucleolos a partir de los organizadores nucleolares del ADN.

- Van desapareciendo los filamentos del huso mitótico.

- A partir del R.E. se forma la nueva envoltura nuclear que envuelve la masa de cromatina.

Citocinesis en células animales y vegetales. Durante todo el proceso mitótico, todos los orgánulos se distribuyen de manera equitativa por todo el citoplasma pero sólo al final de la mitosis se produce el estrangulamiento de la membrana y división del citoplasma (citocinesis), con reparto equitativo de los orgánulos y citoplasma.

En células animales, protozoos y muchas plantas unicelulares, ésta tiene lugar por un anillo periférico contráctil de microfilamentos de actina y miosina que se va cerrando hasta que, acabada la telofase, segmenta el citoplasma en dos partes aproximadamente iguales, cada una de las cuales contiene, también de forma aproximada, la mitad de los constituyentes celulares.

En plantas superiores, la citocinesis se realiza mediante la formación de una estructura especializada llamada fragmoplasto, el cual está constituido por pequeñas vesículas derivadas del aparato de Golgi cargadas en su mayor parte de pectina, que van organizando un saco aplanado a manera de tabique que finalmente se funde con la membrana plasmática y divide a la célula en dos. Ambos citoplasmas quedan unidos a través de los plasmodesmos.

4. Meiosis.

Proceso mediante el cual una célula diploide (2n) sufre dos divisiones consecutivas produciendo cuatro células hijas haploides (n). Es característica de organismos con reproducción sexual y tiene lugar en el curso de la gametogénesis (formación de gametos): es necesario reducir a la mitad la cantidad de material genético para que al unirse los dos gametos de distinto sexo se mantenga constante el número de cromosomas de la especie.

La meiosis consta de dos divisiones sucesivas del núcleo, entre las cuales no se produce la duplicación del material genético (fase S). Estas divisiones se denominan primera división meiótica y segunda división meiótica.

· Primera división meiótica (fase reduccional). Los cromosomas homólogos se emparejan, mezclan sus genes y, posteriormente, se separan para dar lugar a los núcleos hijos, cada uno de los cuales contendrá un cromosoma de cada par de homólogos, cada uno con dos cromátidas. El reparto de los cromosomas de cada par de homólogos ocurre al azar, lo cual contribuye a la variabilidad genética de los gametos.

- Profase I. Se enrolla el ADN y se forman los cromosomas, cada uno de ellos con dos cromátidas idénticas. Los pares de cromosomas homólogos se juntan y entre ellos tiene lugar un intercambio de material genético. Se divide en cinco fases:

- Metafase I. Las tetradas o bivalentes, se sitúan en el plano ecuatorial, en el centro de la célula y forman la placa ecuatorial

- Anafase I. Los cromosomas homólogos van hacia polos opuestos. Esta es una de las diferencias esenciales con la mitosis.

- Telofase I. Los cromosomas se agrupan en los polos y se inicia la citocinesis, formándose dos células haploides (n) aunque los cromosomas están formados por dos cromátidas. Vuelve a aparecer el nucleolo y la membrana nuclear. Inmediatamente comienza una nueva división sin que los cromosomas se hayan descondensado del todo.

· Segunda división meiótica. Como consecuencia de la primera división meiótica, cada núcleo hijo contiene un cromosoma de cada pareja de homólogos, constituido a su vez por dos cromátidas (con mezcla de genes de los dos homólogos). La segunda división meiótica equivale a una mitosis normal pero en una célula haploide, en la que las dos cromátidas de cada cromosoma se separan y emigran hacia los polos opuestos del huso mitótico. Origina cuatro células haploides cuyo material genético será fruto de la recombinación entre cromosomas homólogos (parte materno y parte paterno). Consta también de cinco fases:

- Profase II. Desaparece la envuelta nuclear si se ha llegado a formar. El centrosoma se duplica y se inicia la formación del huso mitótico. Desaparece el nucleolo.

- Metafase II. Se forma la placa ecuatorial.

- Anafase II. Se separan las cromátidas, apareciendo los cromosomas hijos que se acercan a los polos opuestos de la célula.

- Telofase II. Se agrupan los cromosomas, que empiezan a desenrollarse, y se forma la envuelta nuclear.

Se produce la citocinesis o división del citoplasma y aparecen al final cuatro células hijas haploides (n), que se han originado de una célula diploide (2n).

· Gametogénesis.
Cuando la meiosis tiene lugar en la fase de formación de los gametos en los organismos que presentan reproducción sexual, recibe el nombre de meiosis gametogénica o gametogénesis. En todos los animales vertebrados, incluida la especie humana, la gametogénesis masculina, que se realiza en los testículos, se llama espermatogénesis y origina los gametos masculinos o espermatozoides. La gametogénesis femenina es la ovogénesis; tiene lugar en los ovarios y da lugar a los óvulos o gametos femeninos.

- En la espermatogénesis, las células que van a sufrir meiosis, y que provienen de una célula madre o espermatogonia (2n), se denominan espermatocitos primarios (2n). Cada espermatocito primario se divide dos veces y producen, primero, dos espermatocitos secundarios y, después, cuatro células haploides (n), las espermátidas. Estas células, tras madurar, se convierten en espermatozoides, dotados de movimiento.

- En la ovogénesis, las células diploides que sufren la meiosis son los ovocitos primarios, que se originan a partir de una célula madre llamada ovogonia u oogonia (2n). Los ovocitos primarios (2n) producen primero dos células haploides (n) desiguales: un pequeño corpúscuo polar y un ovocito secundario; estos se dividen y forman cuatro núcleos haploides: tres pequeños corpúsculos polares que degeneran, y un óvulo que contiene gran cantidad de mitocondrias, ribosomas, enzimas y nutrientes de reserva, todos ellos necesarios para el desarrollo del embrión.

· La meiosis y la evolución. La mutación es la fuente primaria de variabilidad, se generan nuevos genes. La meiosis redistribuye los genes por lo que es la fuente secundaria de variabilidad, en la que intervienen dos factores:

1º El reparto de cromosomas es diferente en cada división meiótica: en la especie humana, un gameto cualquiera puede haber recibido una combinación aleatoria de cromosomas maternos o paternos para los 23 cromosomas que contiene.

2º El segundo factor de variabilidad deriva de la existencia del proceso de recombinación cromosómica ocurrida durante la profase I, con el intercambio de fragmentos de cromosoma entre la pareja de homólogos.

Además, los gametos formados se mezclan con los de otro individuo, durante la fecundación, aumentando enormemente la variabilidad genética, por lo que es prácticamente imposible generar dos individuos idénticos por reproducción sexual. Sólo los mecanismos de clonación lo permiten (o gemelos univitelinos).

La gran diversidad genética generada por la reproducción sexual frente a la asexual, aumenta la probabilidad de producir al menos algunos descendientes que puedan adaptarse y sobrevivir en un medio ambiente que varíe de forma impredecible y, de este modo, asegurar la continuidad de la especie. Además, puede favorecer la dispersión de mutaciones beneficiosas entre los individuos de una población y proporcionar un genoma más complejo y variado.

Apoptosis o suicidio celular. Tras un número limitado de divisiones, y para mantener el número de células de nuestro cuerpo dentro de unos límites, así como el buen funcionamiento del organismo, las células, llegado un determinado momento, se suicidan.

Esta muerte celular programada se denomina apoptosis e implica una serie de cambios celulares: la célula se arruga y se desprende de sus vecinas, se forman burbujas en su superficie y en el núcleo, la cromatina se condensa cerca de la membrana nuclear y al poco tiempo, el núcleo y la célula estallan.

Los fragmentos celulares o cuerpos apoptósicos son ingeridos en algunos casos por células carroñeras (macrófagos) o por células vecinas, y en otros persisten indefinidamente, o durante largo tiempo, en el organismo.

El proceso se desencadena por autodigestión celular ya que la célula fabrica proteasas que descomponen la cromatina primero y luego disgregan la estructura celular.

Algunos autores consideran los dos últimos procesos como una etapa independiente: la prometafase.