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Cromosomas, mitosis y meiosis 217
lulas que crecían activamente, una autorradiografía de película expuesta (vea la figura 2-3) mostró que una fracción de las células tenía granos de plata sobre sus cromosomas. Los núcleos de esas células eran radiactivos porque durante el experimento se había replicado el ADN. La replica- ción del ADN no estaba ocurriendo en las células que no presentaban cromosomas marcados radiactivamente. Por lo tanto, los investigadores infirieron que la proporción de células marcadas con relación al número total de células da una estimación aproximada de la duración de la fase S respecto del resto del ciclo celular. Después de completar la fase S, la célula entra a una segunda fase o intervalo, conocida como fase G 2. Durante este tiempo, aumenta la síntesis de proteínas, conforme se dan los pasos finales en la preparación de la célula para la división. En muchas células, la fase G 2 es corta con respecto a las fases G 1 y S. La fase M implica dos procesos principales, mitosis y citocinesis. La mitosis , corresponde a la división celular que produce dos núcleos con cromosomas idénticos a los del núcleo parental, e inicia al final de la fase G 2. La citocinesis, generalmente comienza antes de que la mitosis termine, y corresponde a la división del citoplasma celular para formar dos células hijas. La mitosis es un proceso continuo, pero para fines descriptivos, se divide en cinco etapas:
profase ¡ prometafase ¡ metafase ¡ anafase ¡ telofase
10.2 CICLO CELULAR Y MITOSIS
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE
3 Identificar las etapas del ciclo celular en las células eucariotas y describir sus principales eventos. 4 Describir la estructura de un cromosoma duplicado, incluidos las cromátidas hermanas, los centrómeros y los cinetocoros. 5 Explicar el significado de la mitosis y describir el proceso.
Cuando las células alcanzan un cierto tamaño, generalmente paran de crecer o se dividen. No todas las células se dividen; algunas, como los glóbulos rojos y las células del músculo esquelético, normalmente no se dividen cuando maduran. Otras células experimentan una secuencia de actividades requeridas para su crecimiento y división celular. Y hay otro grupo de células, como los fibroblastos que sólo se dividen ocasional- mente cuándo han sufrido alguna lesión. Las etapas por las que pasa una célula en general desde su origen mediante una división celular hasta la siguiente división para formar dos células hijas se conoce colectivamente como ciclo celular. El tiempo del ciclo celular varía ampliamente, pero en las células vegetales y animales que crecen activamente, es alrededor de 8 a 20 horas. El ciclo celular consiste en dos fases principales, interfase y fase M, ambas se pueden distinguir bajo un microscopio óptico ( FIGURA 10-5 ).
Los cromosomas se duplican durante la interfase
La mayor parte de la vida celular se invierte en la interfase , el tiempo cuando no ocurre la división celular. Una célula se mantiene activa me- tabólicamente durante la interfase, sintetizando materiales necesarios (proteínas, lípidos, y otras moléculas biológicamente importantes) y creciendo. Así se presenta la secuencia de la interfase y de la fase M en el ciclo celular eucariota:
G1 fase S fase G2 fase mitosis y citocinesis Interfase Fase M
Al tiempo entre el fin de la mitosis y el inicio de la fase S se le llama fase G 1 ( G simboliza gap , un intervalo durante el que no ocurre síntesis de ADN). El crecimiento y el metabolismo normal suceden durante la fase G 1 , que típicamente es la fase más larga. En general, las células que no están en proceso de división permanecen en este intervalo del ciclo celular y se dice que se encuentran en un estado llamado G 0. Hacia el final del G 1 , las enzimas requeridas para la síntesis de ADN se vuelven más activas. La síntesis de esas enzimas, junto con las proteínas que se necesitan para iniciar la división celular (que se analiza más adelante en este capítulo), permiten que la célula entre a la fase S. Durante la fase de síntesis , o fase S , el ADN se replica y las proteí- nas histonas son sintetizadas para que la célula pueda hacer una copia de sus cromosomas. ¿Cómo hicieron los investigadores para identificar la fase S del ciclo celular? A principio de la década de 1950, los científicos demostraron que las células que se preparaban para dividirse duplican sus cromosomas, en un intervalo de tiempo relativamente restringido, durante la interfase y no durante la temprana mitosis, como previamente se suponía. Estos investigadores utilizaron isótopos, como el 3 H, para sintetizar timidina radiactiva, un nucleótido que se incorpora especí- ficamente al ADN, a medida que éste se sintetiza. Después de que la timidina ingresó durante un breve período (unos 30 minutos) a las cé-
El ciclo celular es la serie de eventos consecutivos que ocurren en la vida de una célula.
(G
Primera fase o intervalo
(G
Segunda fase o intervalo
S Fase de síntesis
FASE M (Mitosis y citocinesis)
INTERFASE
, gap 1)
, gap 2)
FIGURA 10-5 Animada Ciclo celular eucariota El ciclo celular incluye la interfase (G 1 , S y G 2 ) y la fase M (mitosis y citocinesis). El tiempo proporcional invertido en cada fase o etapa va- ría entre las especies, tipos celulares, y condiciones de crecimiento. Si el ciclo celular fuera un período de 12 horas, G 1 sería casi de 5 horas, S duraría 4.5 horas, G 2 sería de 2 horas, y la fase M sería de 30 minutos.
PUNTO CLAVE
218 Capítulo 10
sición de secuencias de ADN que las une herméticamente a proteínas específicas. Por ejemplo, las cromátidas hermanas están físicamente unidas por un complejo proteínico de forma anular llamado cohesina. Las cohe- sinas se extienden a lo largo de las ramas de las cromátidas hermanas y están particularmente concentradas en el centrómero ( FIGURA 10-8 ). Estas cohesinas, que mantienen juntos a los cromosomas replicados desde su síntesis en la fase S en adelante, ayudan a garantizar una exacta segregación cromosómica durante la mitosis. Cada centrómero tiene asociado un cinetocoro , un complejo mul- tiproteínico al que pueden unirse los microtúbulos. Esos microtúbulos contribuyen en la distribución cromosómica durante la mitosis, en la cual una copia de cada cromosoma es entregada a cada célula hija. Una célula en proceso de división se puede explicar mediante un globo, con una línea ecuatorial que determina el plano medio (plano ecuatorial) y dos polos opuestos. Esta terminología se aplica para todas las células independientemente de su forma real. Los microtúbulos irra- dian desde cada polo, y algunas de esas fibras proteínicas se extienden hacia los cromosomas, formando el huso mitótico , una estructura que separa a los cromosomas duplicados durante la anafase ( FIGURA 10-9 ).
Estudie la FIGURA 10-6 mientras lee las siguientes descripciones de esas etapas conforme ocurren en una típica célula vegetal o animal.
Los cromosomas duplicados se hacen
visibles al microscopio durante la profase
La primera etapa de la mitosis, la profase , inicia con la condensación de los cromosomas, cuando las largas fibras de cromatina que forman los cromosomas comienzan un proceso de enrollado que las hace más cortas y más delgadas. Entonces la cromatina condensada se puede dis- tribuir a las células hijas con menos riesgo de enredarse. Conforme progresa la profase, los cromosomas se hacen visibles al microscopio óptico, como cuerpos oscurecidos después de ser te- ñidos con ciertos colorantes. Ahora es evidente que cada cromosoma fue duplicado durante la fase S precedente y que consiste en un par de cromátidas hermanas , que contienen idénticas secuencias de la doble cadena de ADN. Cada cromátida incluye una región estrecha llamada centrómero. Las cromátidas hermanas están unidas herméticamente en la vecindad de sus centrómeros ( FIGURA 10-7 ). La base química para esta estrecha asociación en los centrómeros se debe a la precisa compo-
(a) La célula realiza actividades vitales normales. Los cromosomas se duplican.
(b) Las largas fibras de cromatina condensada se presentan como cromosomas mitóticos compactos, cada uno consiste en dos cromátidas unidas a sus centrómeros. El citoesqueleto se desensambla o desintegra, y el huso mitótico se forma entre los centríolos, que se han movido a los polos de la célula. La envoltura o membrana nuclear empieza a fragmentarse y a desaparecer.
(c) Los microtúbulos del huso se unen a los cinetocoros de los cromosomas. Los cromosomas empiezan a moverse hacia el plano medio de la célula.
Nucléolo
INTERFASE PROFASE PROMETAFASE
Fragmentos de envoltura nuclear
Cromátidas hermanas de un cromosoma duplicado
Cromatina
Núcleo
Envoltura nuclear
Membrana Centríolos plasmática
Huso mitótico en desarrollo
Cinetocoro Microtúbulos del huso
Todos excepto prometafase: Carolina Biological Supply/Phototake; Prometaphase: Ed Reschke/Peter Arnold, Inc.
FIGURA 10-6 Animada Interfase y las etapas de la mitosis Las MO muestran células vegetales, que perdieron los centríolos. Los esquemas representan células animales en general con un número diploide de cuatro cromosomas; se han exagerado los tamaños de los núcleos y de los cromosomas para mostrar las estructuras con mayor claridad.
220 Capítulo 10
Cada uno de los dos centríolos se duplica durante la fase S de la in- terfase, produciéndose dos pares de centríolos. Posteriormente en la profase, los microtúbulos se irradian a partir del material pericentriolar que rodea a los centríolos; esos cúmulos de microtúbulos se conocen como ásteres. Los dos ásteres migran a lados opuestos del núcleo, esta- bleciendo los dos polos del huso mitótico.
La prometafase inicia cuando
se rompe la envoltura nuclear
Durante la prometafase se fragmenta la envoltura nuclear, permitiendo que los microtúbulos del huso se conecten con los cromosomas; las uni- dades fragmentadas de la envoltura nuclear son atrapadas en vesículas para ser reutilizadas posteriormente, en la relaboración de las envolturas nucleares de las células hijas. El nucléolo se contrae y en general desapa- rece, y el huso mitótico queda completamente formado. Al inicio de la prometafase, los cromosomas duplicados son dispersados a través de la región nuclear (vea la fotografía en la introducción a este capítulo, que muestra la prometafase temprana). Los microtúbulos del huso se alar- gan y se contraen al moverse hacia el centro de la célula en un proceso de “búsqueda y captura”. Estos movimientos dinámicos aleatorios dan la apariencia de que están “buscando” a los cromosomas. Si se acerca un microtúbulo a un centrómero, entonces es “capturado” por uno de los cinetocoros de un cromosoma duplicado. El ahora atado cromosoma continúa moviéndose hacia el plano medio de la célula, entonces el cine- tocoro desunido de su cromátida hermana queda conectado a un micro- túbulo del otro polo de la célula. Durante los movimientos de los cromosomas hacia el plano medio de la célula, los microtúbulos largos son acortados mediante la elimina- ción de subunidades de tubulina, y los microtúbulos cortos son alarga- dos por la adición de subunidades de tubulina. La evidencia indica que el acortar y alargar sucede en el extremo del cinetocoro (extremo más) del microtúbulo, y no en la terminal polar del huso (extremo menos). Este acortamiento y alargamiento ocurre mientras el microtúbulo del huso permanece firmemente atado al cinetocoro. Las proteínas motoras lo- calizadas en los cinetocoros pueden estar implicadas en esta atadura del microtúbulo del huso. Estas proteínas motoras pueden trabajar en forma similar a la quinesina motora mostrada en la figura 4-25. Para resumir los eventos de la prometafase, las cromátidas herma- nas de cada cromosoma duplicado quedan unidas, en sus cinetocoros, a los microtúbulos del huso extendiéndose desde polos opuestos de la célula, y los cromosomas empiezan a moverse hacia el plano medio de la célula. Conforme la célula avanza de la prometafase a la metafase, las cohesinas se disocian de los brazos de las cromátidas hermanas, liberán- dolas entre sí, aunque algunas cohesinas se mantienen en la vecindad del centrómero.
Durante la metafase los cromosomas
duplicados se alinean sobre el plano medio
Durante la metafase , todos los cromosomas de la célula se alinean en el plano medio de la célula, o placa metafase. Como ya se mencionó, una de las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma está unida por su cinetocoro a los microtúbulos de un polo, y su cromátida hermana es capturada por su cinetocoro a microtúbulos del polo opuesto. El huso mitótico tiene tres tipos de microtúbulos: microtúbulos polares, microtúbulos cinetocoros y microtúbulos astrales (vea la figura 10-9). Los microtúbulos polares , también conocidos como microtúbu- los no cinetocoros , se extienden desde cada polo hasta la región ecuatorial,
Los microtúbulos del huso terminan en el material pericentriolar, pero ellos realmente no tocan los centríolos. Los biólogos celulares han pen- sado que la formación del huso en células animales requiere centríolos, pero es probable que su participación sea coincidencia. La evidencia actual sugiere que los centríolos organizan el material pericentroliar y aseguran su duplicación cuando los centríolos se duplican.
Cuando los cromosomas se duplican, las cromátidas hermanas están inicialmente unidas entre sí por los complejos proteíni- cos denominados cohesinas. Los enlaces de cohesina están particularmente concentrados en la vecindad del centrómero.
Cromátidas hermanas del cromosoma duplicado
Cinetocoro
Complejos de cohesina en la región del centrómero
Complejos de cohesina Profase
Metafase
Anafase
Cromosomas hijos
Microtúbulos del huso
1
2
Al progresar la mitosis, las cohesinas se disocian de los brazos de los cromosomas duplicados.
Entonces las cohesinas se disocian en el centrómero, para permitir que cada par de cromosomas hijos se separen durante la anafase.
FIGURA 10-8 Cohesinas
PUNTO CLAVE
Cromosomas, mitosis y meiosis 221
gráficas electrónicas. Los investigadores también emplean microláseres, o dispositivos mecánicos conocidos como micromanipuladores para per- turbar físicamente a células vivas que se están dividiendo. Un investiga- dor hábil puede mover los cromosomas, romper sus conexiones con los microtúbulos, y aún eliminarlos totalmente de la célula. Los microtúbulos no tienen propiedades elásticas o contráctiles. ¿En- tonces cómo contribuyen en el desplazamiento de los cromosomas? ¿Son empujados o jalados, o quizás operan otras fuerzas? Los microtúbulos son estructuras dinámicas, con subunidades de tubulina que pueden ser eli- minadas constantemente de sus extremos y agregadas a ellos, conforme a la necesidad de la célula. La evidencia indica que durante la anafase, los microtúbulos cinetocoro son acortados, o despolimerizados , en su extremo más , es decir, el más cercano al plano medio de la célula ( FIGURA 10-10 ). Este mecanismo de acortamiento jala a los cromosomas hacia los polos. Un segundo mecanismo también desempeña un papel en la separa- ción de los cromosomas. Durante la anafase el huso se alarga como un todo, al menos parcialmente porque los microtúbulos polares que salen de polos opuestos están asociados con proteínas motoras que les permi- ten deslizarse unos sobre otros en el plano medio. El deslizamiento dis- minuye el grado de traslape, por lo tanto “empujándolos” hacia los polos opuestos. Este mecanismo causa indirectamente que los cromosomas se vayan apartando, debido a que ellos están unidos a los polos mediante los microtúbulos cinetocoro.
Durante la telofase, se forman
dos núcleos separados
Durante la etapa fi nal de la mitosis, telofase , los cromosomas llegan a los polos y existe un retorno a las condiciones tipo interfase.
en donde se traslapan e interactúan con microtúbulos no cinetocoros del polo opuesto. Los microtúbulos cinetocoros se extienden desde cada polo y se unen a los cinetocoros de los cromosomas. Los micro- túbulos astrales son los microtúbulos cortos que forman ásteres en cada polo. Cada cromátida es completamente condensada y aparece distinta durante la metafase. Como los cromosomas individuales son más visi- bles en la metafase que en cualquier otro momento, el cariotipo , o com- posición cromosómica, en general se revisa en esta etapa para identificar anormalidades cromosómicas (vea el capítulo 16). Al igual que las tran- siciones celulares mitóticas de la metafase a la anafase, las restantes pro- teínas de cohesina que unen a las cromátidas hermanas en su centrómero se disocian.
Durante la anafase, los cromosomas
se mueven hacia los polos
La anafase se inicia conforme se separan las cromátidas hermanas. Una vez que las cromátidas ya no están unidas a sus duplicados, entonces a cada cromátida se le llama cromosoma. Los cromosomas ahora separados se mueven a polos opuestos, empleando como pistas a los microtúbulos del huso. Los cinetocoros, aún unidos a los microtúbulos cinetocoro, encabezan la ruta, con los brazos del cromosoma quedando detrás. La anafase termina cuando todos los cromosomas llegan a los polos. Los biólogos celulares están haciendo un significativo progreso en la comprensión del mecanismo global del movimiento cromosómico en la anafase. Los movimientos cromosómicos se estudian en diversas for- mas. El número de microtúbulos en una etapa particular o después de ciertos tratamientos se determina analizando cuidadosamente las micro-
CNRI/Phototake, NYC
Microtúbulos astrales
Microtúbulos cinetocoros (unidos por fibras del huso cromosómico)
Microtúbulo polar (no cinetocoro)
Centríolos
Material pericentriolar
10 μm
Placa metafase (plano medio de la célula)
(a) Un extremo de cada microtúbulo de esta célula animal está asociado con uno de los polos. Los microtúbulos astrales ( verde ) se irradian en todas las direcciones, formando el áster. Los microtúbulos cinetocoro ( rojo ) conectan a los cinetocoros con los polos, y los microtúbulos polares (no cinetocoros) ( azul ) se traslapan en el plano medio.
(b) Esta MO de fluorescencia de una célula animal en la metafase muestra un huso bien definido y ásteres (cromosomas, naranja ; microtúbulos, verde ).
Cromátidas hermanas
FIGURA 10-9 Huso mitótico
