Tema 9 La reproducción

Los gametos tienen una dotación simple (haploide) y se unen dando lugar al cigoto (diploide) que originará un individuo. Los tritones, por ejemplo, son tetradiploides. Los gusanos tienen reproducción asexual. Una única célula (el cigoto) da lugar a todas las demás. Esas células, al dividirse, vana tener también que ir diferenciándose (proceso de diferenciación) Partimos de una célula totipotente, que va a dar lugar a todo.

Las primeras fases del desarrollo embrionario son las más importantes. Es muy importante el ambiente para el desarrollo genético. El ambiente son todos los actores externos que afectan, El ambiente uterino es donde se desarrolla e embrión. Las paredes uterinas se van desarrollando durante la ovulación: se ensanchan y se preparan (se vascularizan) por si el óvulo es fecundado. La hormona luteinizante (LH) interviene en esta preparación de útero para recibir a óvulo fecundado. Tiene que existir un juego hormonario, tiene que haber una coordinación genética.

En la fusión de gametos para formar el cigoto intervienen necesariamente un óvulo y un espermatozoide. El óvulo atrae a muchos espermatozoides que intentan penetrar en la membrana de éste. Para ello, la cabeza se apunta. Mediante enzimas, un espermatozoide rompe a membrana y entra (entra solo a cabeza, el flagelo no) Sólo un espermatozoide logra entrar, cuando este dentro, la membrana se endurece para que ya ninguno más pueda hacerlo. En el momento que los núcleos del óvulo y el espermatozoide se unen, comienza la primera división (cada 30 minutos se produce una nueva división) la división se produce según un plano. Se van produciendo mitosis sucesivas. Cuando ya son unas cuantas células, se observa que unas son mayores que otras.

Todavía en el momento en que hay 8 células podemos separarlas y obtener un individuo completo. Como se ve, en los primeros momentos estas células gozan de totipotencialidad (pueden dar lugar a cualquier cosa) Mas allá de este momento, si separamos una de las células, ya no obtenemos un individuo completo; y cuanto más avanzado el proceso, más incompleto estará hasta llegar un momento en que ya no se obtiene individuo alguno, ni completo ni incompleto. Y es que la información genética se va “bloqueando” y cada vez es más difícil su lectura.

En estos primeros momentos no hay aportes exógenos, así que las células son cada vez más numerosas, pero cada vez más pequeñas (tienen que repartirse el material que hay) Se va formando una cavidad entre las células que se va llenado de líquidos. En este proceso de la mórula, en un polo se quedan las células y en otro un depósito de líquido (el lecitocele) Cuando el lecitocele se forma, la mórula ya no se llama así, sino bástula. As células de la periferia se especializan para entrar en contacto con la pared uterina. Estas células periféricas se llaman trofoblastos. Se empieza a formar una capa de células que separa el lelitocele y el polo donde se sitúan las células. Estas células periféricas se van alargando.

En el polo de las células, comienza a abrirse la cavidad amniótica (amnios) que contiene mayoritariamente agua. Las células cada vez se verán más comprimidas y formarán las “hojas germinativas”. La que esta en contacto con el lecitocele se denomina endodermo, la otra ectodermo. En el momento en que se crea el amnios ya no hablamos de blástula, sino de gástrula. Las paredes uterinas están muy vascularizadas para poder surtir a las células. Se producen una serie de invaginaciones en la pared uterina que permiten que las células del embrión “atrincheren” y se sigan dividiendo, ahora surtidas por la madre.

Entre las dos hojas (ectodermo y endodermo) se sitúan otras céulas que son aportadas tanto por el ectodermo como por el endodermo, y forman otra capa que se denomina mesodermo. Al mismo tiempo, se esta formando una cavidad que se denomina alantoides (en la tercera semana) Va a ser el saco de deshechos. En los humanos es un resto evolutivo. No lo usamos mucho, el embrión no acumula os deshechos, se los pasa a la madre. Se va formando un espacio alrededor del individuo que se llama celoma. Comienza a crecer la masa de tejido tanto del ectodermo como del endodermo como del mesodermo. Desde esta cuarta hasta la octava semana las hojas germinativas van a especializarse:

• El ectodermo va a dar lugar al sistema nervioso central, al sistema nervioso periférico, a las glándulas mamarias, a la hipófisis, al esmalte dental…

• El mesodermo va a dar lugar al tejido muscular, a huesos y a cartílagos, a todo el sistema vascular, a los riñones y, en general a todo el sistema urogenital (excepto la vejiga urinaria)

• El endodermo va a dar lugar a epitelio gastrointestinal, al sistema respiratorio, al hígado, al páncreas, a la vejiga urinaria…

Todos estos se van a ir formando a partir de la cuarta semana del desarrollo embrionario. La diferenciación se va a producir por la inducción de las células vecinas. Las células secretan unos factores de crecimiento que hacen que se vayan formando los diferentes tejidos. Hay inducciones que siguen nuestro eje de simetría, otras que van de la parte anterior a la posterior de nuestro cuerpo. Las teorías columnares son en las que se diferencia una célula y ésta induce a las vecinas en columna. Cuando no existe esa inducción, cuando las células se desentienden de las vecinas y siguen reproduciéndose, estamos hablando de tumores proliferativos. En cada una de las hojas, las células ya tienen bloqueada la información genética para la formación de órganos y sistemas específicos.

Aspectos más importantes de este proceso embrionario

Son tres:

Hay algunas células que están dividiéndose toda la vida, (las de a piel o las del intestino por ejemplo), otras no se dividen (las neuronas, que permanecerían en el periodo G₀, un bucle para las que no se dividen)

Wilson cogió tres esponjas marinas de colores distintos y separó células de cada una mecánicamente. Dejó éstas células separadas en un lugar donde pudieran alimentarse. Pasado un tiempo, observó que se formaron tres estructuras, cada una de uno de los colores. Y es que ni una sola de las células se había confundido al reagruparse son sus semejantes. No sólo eso, sino que también se colocaban en la misma manera en que estaban antes de la separación: cada célula reconocía a sus vecinas. Holfreter hizo esto mismo con tejido muscular y cartilaginoso, y observó que las células separadas de cada uno de éstos tejidos no se mezclaban al reagruparse.

Las moléculas CAM (Moléculas de Adhesión Celular) son proteínas de la membrana que varían de un tipo de células a otras. En un embrión (en fase temprana) de pollo, se observó que las células tenían todos los tipos de moléculas CAM. Pero mas adelante, cuando una célula se especializaba e iba a formar parte, por ejemplo, del hígado, solo conservaba el tipo correspondiente: el CAM. A medida que se da la especialización, van desapareciendo las CAM hasta quedarse sólo con el tipo que corresponde al tejido del que la célula va a formar parte.

También se da el caso de células que forman radios, y por ellos van subiendo las células correspondientes hacia el tejido en cuestión. La glía (células que acompañan a las neuronas en el sistema nervioso) forma radios que en el momento que no hay migración, se reducen.

Formación del Sistema Nervioso (SN)

Encima de las tres capas (ectodermo, mesodermo y endodermo) se sitúa el amnios, por debajo el lecitocele. El ectodermo (que es el que da lugar al sistema nervioso) se va invaginando (formando el surco neural) Se va cerrando en la zona media hasta que, ya cerrado, se separa de la superficie. El surco se da longitudinalmente. La parte más pronunciada formará en encéfalo. Se cierra primero en la zona central y luego el cierre va avanzando hacia los extremos, formando un tubo. El fenómeno de proliferación será diferencial de unas zonas a otras del tubo. Algunas partes de ese tubo se van solapando. El crecimiento mayor es en la parte del tubo que dará lugar al encéfalo. A la vez que se desarrolla el sistema nervioso, se van desarrollando los otros sistemas corporales.

NATURALEZA Y FASES DEL DESARROLLO EMBRIONARIO

El estudio de desarrollo embrionario es muy antiguo. Ya los griegos como Hipócrates o Aristóteles observaron la evolución del huevo de la gallina rompiendo cada día uno para observar los cambios morfológicos que se producían a medida que transcurría el desarrollo embrionario. Trataban de describir dicho desarrollo por lo que se llamó “Embriología descriptiva” El modo de interpretar estas observaciones dio lugar a dos teorías contrapuestas:

• TEORÍA DE LA PREFORMACIÓN Uno de los iniciadores de ésta teoría fue Leeuwenhoer (padre del microscopio óptico), quién utilizó el microscopio sencillo y observó que en el semen de distintos animales se podía apreciar gran cantidad de animalillos que se movían de un sitio a otro. Este hallazgo (que no eran más que espermatozoides) sirvió de base para la Teoría Espermatista o Animaculista, según la cual, veían en tales seres diminutos organismos ya formados con todas sus partes. En esta teoría, el desarrollo no es más que crecimiento. Esta teoría chocó con la idea vigente que decía que los organismos provenían de un huevo. Esta teoría es la Teoría Ovista (Harvey) y defiende la idea de que los individuos se encontraban replegados en el huevo en vez de los espermatozoides. La teoría ovista defiende que el desarrollo es crecimiento. En el huevo existe un adulto en miniatura que tenía que crecer. Indudablemente, estas teorías no han sobrevivido.

• TEORÍA DE LA EPIGÉNESIS O EPIGENÉTICA Es otra doctrina que explicaba el desarrollo embrionario y fue propuesta por Wolff. Se basa en las observaciones de Wolff en el huevo de pollo, donde no encontraba partes que se correspondieran o indentificaran con estructuras del individuo adulto, aunque si estructuras cada vez más claras. Propuso así el concepto de “capas” según el cual la división de huevos produce una serie de capas donde se van a ir elaborando las distintas partes del embrión a través de diferentes procesos. Para la epigénesis el desarrollo no es solo crecimiento sino crecimiento y diferenciación (especialización de células) en interacción con el medio. Por esta razón se le considera a Wolff como el padre de la moderna embriología. Supone que la morfología del individuo adulto no existe como tal en el germen, sino que se va formando por movimientos celulares, diferenciación y crecimiento. Esto se confirma a principios del siglo XX, preguntándose ahora cuales son los factores que influyen en el desarrollo embrionario (dos franceses son considerados los creadores de la embriología experimental: ya no tanto describir, sino determinar las causas de la realización de éstos fenómenos)

Fases del desarrollo embrionario (esquema)

En la fase inicial encontramos la formación de gametos, la fecundación y el desarrollo embrionario que es el conjunto de cambios complejos y organizados que darán una célula pluricelular, resultado de la unión de gametos que por la división mitótica dará lugar a los tejidos, etc. Las primeras fases del desarrollo embrionario son muy similares en los distintos organismos. Encontramos variaciones del desarrollo embrionario en las últimas fases.

FASE INICIAL

En los organismos que tienen reproducción sexual comienza con la formación de gametos y finaliza con la fecundación. Los gametos se forman en las gónadas (los espermatozoides en los testículos y los óvulos en el ovario) Los gametos (n) se originan a partir de las células madre de las células sexuales (2n) a través de la meiosis.

ESPERMATOGÉNESIS

Esta transformación tiene lugar al desplazarse el núcleo a un extremo y se forma una gran cabeza oval en cuya parte anterior se sitúa una vacuola denominada acrosoma (formada a expensas del Aparato de Golgi) Esta vacuola contiene fundamentalmente proteínas y polisacáridos cuya misión parece que es disolver la membrana del óvulo para que pueda entrar el espermatozoide y tenga lugar la fecundación. A continuación está el cuello o sección media, donde la cantidad de citoplasma es pequeña y contiene un grupo helicoidal de mitocondrias. Por último aparece la cola (flagelo locomotor) que impulsa al espermatozoide (aporta movilidad)

ESPERMATOZOIDE

En resumen se forman cuatro células: tres corpúsculos y un óvulo grande que es el que se lleva todo el vitelo. Los otros tres, degeneran. Todas las sustancias de reserva les van a dar el principio de organización que va a ser muy importante para el desarrollo posterior del óvulo.

OVOGÉNESIS

Los óvulos son células de gran tamaño y de forma esférica. El hecho de que acumule vitelo y ribosomas va a cumplir un papel importante en el desarrollo embrionario. El embrión que resulta de la fusión de los dos gametos tiene que disponer de una fuente alimentária (vitelo) en las primeras fases (El contenido de reserva del óvulo servirá como alimentación al embrión hasta que éste pueda hacerlo a través de la placenta) Sin embargo, estas reservas se reducen cuando el embrión se desarrolla a expensas del organismo materno (mamíferos y algunas plantas) Si los gametos estuviesen igualmente cargados de material de reserva al movimiento sería más difícil. Así, el espermatozoide, más móvil, permite el encuentro de gametos y el óvulo, más grande, permite la alimentación de embrión (división del trabajo)

ÓVULO

¿Qué ventajas puede tener esta diferenciación de gametos?

• El resultado de la unión necesita una fuente alimentaria que pueda darle comida al embrión hasta que nazca (de ahí a las reservas de los gametos femeninos). Pero puede diminuir si no está dentro de la madre (por ejemplo el huevo)

• Hay una división del trabajo:

Los espermatozoides se colocan en gran número alrededor del óvulo pero solamente uno entrará en él y llevará a cabo la fecundación. Al hecho de que sólo entre un espermatozoide se le llama “monoespermia” y es la general en el reino animal, aunque en algunos casos se da el “poliespermia” (penetra más de un espermatozoide en el óvulo), pero sólo uno llegará a consumar la fecundación ya que el resto degenera en el citoplasma del óvulo. Lo que define una especie es la posibilidad de entrecruzamiento fértil.

Los gametos segregan unas sustancias químicas llamadas gamonas (androgamonas las masculinas y ginogamonas las femeninas) que facilitan el encuentro entre los gametos femenino y masculino. Si son segregados por los óvulos se denominan “ginogamonas” y si son segregadas por los espermatozoides se denominan “androgamonas”. Estas sustancias son de naturaleza gucoproteica. Hoy en día, a las gamonas se les llama “fertilizinas” o “fertilisinas”. El óvulo segrega una sustancia fertilisina y el espermatozoide segrega una sustancia antifertilisina provocando la adherencia de los gametos. El óvulo también segrega una sustancia antifertilisina ovular que atrae a los espermatozoides. El lugar en el que el acrosoma del espermatozoide se pone en contacto con la membrana del óvulo se va a producir una prominencia llamada “cono de atracción” y este va a englobar a la cabeza del espermatozoide y al segmento intermedio, dejando fuera a la cola que se desprende (el flagelo del espermatozoide)

Tan pronto como la cabeza y el segmento intermedio penetran en el óvulo, no pasa ninguno más (por cambios de metabolismo) ya que este va a sufrir unas transformaciones formando la membrana de fecundación que impide a entrada de más espermatozoides.

Una vez que el espermatozoide penetra en la célula, el núcleo espermático se dirige al núcleo del óvulo donde se produce la fusión formando un nuevo núcleo, un nuevo núcleo diploide (n + n = 2n) desintegrándose la membrana del óvulo y del espermatozoide. El óvulo y el espermatozoide se juntan y aportan la dotación cromosómica haploide (cada uno), creando el cigoto. El cigoto va a poseer un número diploide de cromosomas, formado por las series haploides del óvulo y del espermatozoide (con toda la información de cada uno)

El huevo ya fecundado, sufre una serie de ciclos de síntesis de ADN seguidos, por división nuclear (=mitosis) En todas estas mitosis el citoplasma se segmenta pero sin crecimiento y a esto se le llama clivajes. Comienza así el desarrollo embrionario. Se llama ontogénesis al periodo de vida de individuo desde el momento de la fusión hasta la muerte del organismo.

En la mayoría de los pluricelulares, los estados embrionarios son comunes. Se distinguen tres etapas fundamentales.

PRIMERA FASE

Se inicia con la división del huevo o cigoto y termina cuando el embrión llega a un estadio llamado blástula (sucesivas divisiones, segmentación) En el ser humano la primera división es 24 horas después fecundación y forma un estado bicelular.

Segmentación de huevos con escaso vitelo o huevos isoclecitos Huevos de pequeños tamaños donde el embrión toma la alimentación del cuerpo materno. Las células que se van formando son progresivamente más pequeñas (se divide, no aumenta) que se denominan blastómeros. Las células que se van formando quedan intrínsecamente unidas y la segmentación se produce mediante planos meridianos y longitundinales, perpendiculares entre sí. A las depresiones que se van formando en el citoplasma se las llama surcos de segmentación (que se propaga en un núcleo meridional, de polo a polo) Todo el huevo interviene en el proceso de segmentación, de tal manera que los blastómeros son aproximadamente iguales.

Llegamos a un estado en el que el embrión se presenta como una masa esférica de blastómeros que se denomina mórula ya que se asemeja a una mora (tres días después de la fecundación con 12-16 células las externas placenta y las internas embrión):

A medida que los blastómeros se van formando, se sitúan en la periferia dejando un hueco en el centro llamado blastocele (blastocentro). Esta segmentación es para cuando las células tienen el tamaño que tiene la célula adulta.

Con la blástula termina la fase de segmentación. El embrión tiene la apariencia de una circunferencia hueca. El fenómeno dominante (el más importante) durante la fase de segmentación es la multiplicación celular, lo que implica la síntesis intensa de ADN. El embrión adopta una cavidad hueca que se comunica con el exterior por las aberturas y se va cerrando poco a poco aislándose. Se caracteriza también este periodo por tener un juego diploide, son iguales y difieren a otras especies en la cantidad de vitelo. Son células inespecializadas o no diferenciadas.

SEGUNDA FASE

Segunda fase del desarrollo embrionario: La gastrulación y la gastrula Se caracteriza porque los blastómeros van a sufrir unos desplazamientos que darán lugar a dos capas embrionarias primarias: ectodermo (ectoblasto o capa más externa) y endodermo (endoblasto o capa más interna) Todo este proceso se llama gastrulación de la blástula y el embrión resultante se denomina gastrula. La gastrulación puede realizarse de muchas formas, entre ellas la gastrulación por invaginación. En este tipo de gastrulación, una parte de la pared de la bástula penetra en el blastocele hasta ponerse en contacto con la pared opuesta formándose las dos capas embrionarias. Con la gastrulación se producen tres fenómenos importantes:

El orificio a través del cual el arquenterio se abre al exterior se denomina blastoporo y dará origen al ano. Después surgirá otro orificio en el otro extremo que dará lugar a la boca. Durante el periodo de gástrula aparecen los primeros signos de diferenciación morfológica. Todos estos cambios tan complejos ocurren en poco tiempo.

A partir de la gastrulación, el desarrollo del embrión continúa con una tercera capa germinal o mesodermo (intermedio entre el ectodermo y el endodermo) Las células del mesodermo se desarrollan a partir de las células del ectodermo, de las células del ectodermo o de ambas. Por tanto, las células del mesodermo emigran al espacio que hay entre el ectodermo y el endodermo.

La gastrulación (avanzada) produce un embrión con tres capas, los futuros extremos (ano y boca) ya están marcados y las cavidades del cuerpo están bosquejadas. Después el desarrollo consiste en modificaciones de las ya definidas partes del cuerpo por invaginaciones y exaginaciones de las tres hojas embrionarias de la gástrula.

• Ectodermo (extoblasto)

• Mesodermo (mesoblasto)

• Endodermo (endoblasto)

A partir de estas hojas embrionarias se formarán todos los tejidos humanos y los primeros caracteres de diferenciación (origen y función de las células). Desde el punto de vista morfológico, varios grupos de células se forman con diferente especialización. A partir de ahora, está formado el “esbozo” que, por medio de evaginaciones, se perfeccionara.

TERCERA FASE

Tercera fase del desarrollo embrionario: La organogénesis y las hojas blastodérmicas Consiste en la formación de los diferentes órganos del individuo a partir de cada una de las hojas embrionarias. El embrión aparece como un auténtico mosaico de territorios diferenciados, piezas con un destino fijado. Una vez que aparecen estos territorios organoformadores comienza la diferenciación histológica de las células. Una vez diferenciadas, las células iguales se agrupan para formar tejidos que se asocian para formar órganos (que formarán sistemas) y cuando los tejidos de un órgano se diferencian esto indica que ya puede ese órgano funcionar. Es a partir de este momento cuando el embrión puede llevar vida libre y se produce ya la eclosión o nacimiento y el periodo embrionario termina.

• Del ectodermo se forma el sistema nervioso, la epidermis, los sentidos, las mucosas nasal y vucal

• Del endodermo se forma el tubo digestivo, el sistema respiratorio, hígado, páncreas e instestino

• Del mesodermo se forma el esqueleto, los músculos el aparato circulatorio, las gónadas…

Los mismos órganos provienen de las mismas hojas en los distintos mamíferos. Una parte del ectodermo tendrá como finalidad dar lugar al sistema nervioso (desarrollo que se inicia a la tercera semana) cuando una parte del ectodermo se constituye como neuroectodermo. A este acontecimiento se le llama inducción neural. Es el primer paso de lo que llamamos neurulación, desarrollo que comienza sobre la tercera semana (formación del tubo neural a partir del cual se forma el sistema nervioso) Una vez que se forma el mesodermo (en interacción con el endodermo), pronto se va a diferenciar una región central o notocordio y en dos regiones laterales o somitas. Se extiende de la cabeza a la cola.

El notocordio va a inducir un engrosamiento en el ectodermo que lo cambia y este engrosamiento se denomina placa nervial, que está en la superficie dorsal media del disco germinativo, transformándose el ectodermo en tejido neural (células nerviosas). Los bordes de esta placa se denominan crestas neurales, que empiezan a plegarse hasta juntarse y se forma un tubo neural (sistema nervioso) La placa y las crestas empiezan a doblarse sobre si mismas para formar el sistema nervioso y fusionarse en dirección céfalo-caudal, estando ya casi formado el día 23 (menos los sus extremos, los neuropolos) Si no se cierra bien nos dará mal las informaciones (a la cuarta semana el tubo neural está ya cerrado completamente y forma el sistema nervioso central) La influencia de células adyacentes puede ser importantísima incuso para formar la diferenciación. A partir de las crestas neurales se forma el SN periférico (nervios que conectan el SNC con órganos, glándulas…)

Las células son estables y hereditarias. Uno de los problemas es como a partir de una única célula huevo se obtienen células adultas diferenciadas. En términos moleculares, la diferencia molecular significa la activación genética entre las células de los diferentes organismos e implica la síntesis de determinadas proteínas. Las células son diferentes unas a otras porque contienen diferentes proteínas ¿De que forma adquieren distintas proteínas? Las proteínas provienen del ADN porque los genes determinan proteínas. Así, distintos genes provocan diferentes proteínas ¿Pero si todas las células tienen mismos genes? Se produce la activación de distintos genes. En una se activan unos genes y en otras células se activan otros. Diferenciación celular actividad génica variable.

Cada célula eucariota solo expresa un porcentaje pequeño de genes que contiene. Entonces, ¿cómo se regulan los genes? Gran parte de las investigaciones están encaminadas a saber qué es adecuado y hoy se sabe que hay genes específicos de un tejido, comunes (al mantenimiento), coayudan a las proteínas fundamentales en la construcción de componentes en las células, etc. El mecanismo que se utiliza todavía no se conoce bien, pero se suelen usar dos tipos de experimentos básicos que pretenden arrojar luz a este problema:

Muchos experimentos de este tipo (transplantes y explantes) han permitido aventurar la idea de que existen zonas embrionarias que Sperman llamó zonas embrionarias inductoras u organizadoras. Estas, ejercen sobre las vecinas una acción inductora que les va a ayudar a diferenciarse, crecer y desarrollarse de una manera particular y específica. Un tejido embrionario ya desarrollado interacciona con otro y éste último es un inducido a diferenciarse, crecer y desarrollarse de un modo particular, y así sucesivamente. Parece ser que un tejido embrionario induce a otro y este al siguiente, etc y a este fenómeno se le llama inducción embrionaria. Es una hipótesis que proporciona una explicación de la observación de la secuencia ordenada de cómo se elaboran las distintas partes del cuerpo. Es una hipótesis de considerar una reacción en cadena en la que los inductores, sustancias químicas que activan genes, van pasando de unas células a otras activando uno de los genes correspondientes. Se producen proteínas y otras sustancias siguiendo la cadena. Los inductores están controlados por genes. El resultado es una red compleja de reacciones.

a), b). Las elevaciones engrosadas del ectodermo neural a derecha e izquierda de la placa neural se curvan formando el surco neural. Los rebordes del surco neural después se encuentran y se fusionan.

c) Finalmente, el tubo neural resultante se separa del ectodermo epidérmico.