La Reproducción Celular: El Fundamento de la Vida y el Crecimiento

Nuestra vida comienza a partir de una única célula: el cigoto. Durante su desarrollo, esta célula se divide sucesivamente y así finalmente se forma un ser humano listo para nacer. Luego, una vez nacemos, seguimos creciendo hasta llegar a la edad adulta, y para crecer se necesitan más células. Por lo tanto, nuestras células se siguen dividiendo. Sabemos que la división celular es un fenómeno que ocurre constantemente en nuestro organismo y que es fundamental para el crecimiento, desarrollo, reparación y reproducción de los organismos vivos. El cuerpo o la estructura de todo ser vivo está formado por una, miles o billones de células que se relacionan con su entorno, obtienen sustancias esenciales y se reproducen. La reproducción celular tiene la finalidad de incrementar el número de células de un organismo, sea este unicelular o pluricelular.

Al igual que los seres vivos, las células tienen un ciclo de vida, el ciclo celular. Una célula se forma a partir de otra célula que se ha dividido, y más tarde esa nueva célula se puede dividir y dar lugar a dos células hijas. El ciclo celular es la sucesión de fases de crecimiento y división que ocurren en la vida de una célula, y se puede considerar como una sucesión de etapas por las que transcurre la vida de una célula que está proliferando. Una célula "nace" a partir de la división de una predecesora, pasa por una serie de etapas donde crece, replica su ADN, condensa el ADN en cromosomas y, por último, se divide para dar dos células hijas que comenzarán de nuevo el ciclo.

El Ciclo Celular: Fases y Regulación

El ciclo celular contiene una serie de etapas denominadas: G1, S, G2 y M (la letra G significa intervalo o "gap", la S síntesis y la M mitosis). Esta secuencia se mantiene en prácticamente todas las células que proliferan. Las fases G1, S y G2 se agrupan en una fase mayor denominada interfase.

La Interfase: Preparación para la División

La interfase abarca tres etapas: G1, S y G2. Es la mayor parte del ciclo celular (más del 90%) y está constituida por tres fases activas.

Fase G1 (Primer Intervalo)

La fase G1 es la primera por la que pasa una célula. Es la etapa más larga y más variable, y en ella se produce crecimiento celular hasta alcanzar el tamaño óptimo. Durante esta fase, la célula crece, adquiere los nutrientes necesarios y sintetiza determinados componentes como orgánulos y proteínas que podría necesitar para estar preparada para la división al final del ciclo. Una célula se divide y da lugar a dos células hijas. Cada una de estas nuevas células presenta dos copias de cada cromosoma, una copia de la madre y otra del padre. La célula comienza su ciclo en G1.

Fase S (Síntesis)

A continuación, durante la fase S, el material genético de la célula se duplica. Tiene lugar la duplicación del material genético de la célula, lo que da como resultado dos cromátidas hermanas unidas. En esta fase, la célula pasa a tener en total cuatro copias de cada cromosoma: dos de la madre y dos del padre. La fase S o de síntesis es una acción compleja debido a la gran longitud de las hebras de ADN que se encuentran en un núcleo eucariota. Además, la replicación del ADN debe cumplir dos condiciones: una sola réplica y cometer los menos fallos posibles. En la etapa S se duplican el ADN y sus proteínas asociadas.

Fase G2 (Segundo Intervalo)

Una vez el material genético está duplicado, la célula pasa a la fase G2. Como se acaba de duplicar el ADN, la célula presenta el doble de material genético. Durante esta fase, la célula se prepara para la división celular, continúa creciendo y termina de sintetizar los componentes que necesita, como orgánulos.

Fase G0 (Estado de Reposo)

No todas las células de un organismo adulto proliferan continuamente, sino que la mayoría detienen el ciclo celular en la fase G1, pasando a la fase G0. Durante esta fase, están activas funcionalmente (realizan su función en el tejido en el que se encuentran) pero no se dividen. La fase G0 es como un estado de reposo en cuanto a la división. Dentro de estas células, algunas permanecen en G0 para siempre o por un tiempo, mientras que otras pueden volver a reemprenderlo, entrando de nuevo en el ciclo y dividirse. Por ejemplo, en el hígado de los mamíferos, los hepatocitos pueden tardar en dividirse un año porque abandonan el ciclo celular durante la mayor parte del tiempo.

Regulación del Ciclo Celular

La progresión en el ciclo celular está regulada por la acción de proteínas clave. Para entrar en el ciclo, las células reciben señales externas, como nutrientes o factores de crecimiento. El ciclo celular está regulado por estímulos externos e internos. La falta de nutrientes, los cambios de temperatura y de pH, y la presencia de células contiguas pueden detener la división celular, mientras que ciertas hormonas y factores de crecimiento la estimulan. La regulación interna es realizada mediante la fosforilación y la degradación de complejos proteicos.

Proteínas CDK y Ciclinas

El proceso de división celular está estrictamente regulado por señales químicas y proteínas específicas, como las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclina (CDKs). Las quinasas son proteínas que se encargan de fosforilar determinados sustratos, como otras proteínas. El hecho de añadir un fosfato a una proteína puede activar o inhibir su función, por lo tanto, la fosforilación es una forma de regular procesos celulares.

Por otra parte, las ciclinas son un tipo de proteínas implicadas en el ciclo celular que se encargan de activar a las CDKs. Es decir, las CDKs son activas (fosforilan otras proteínas) cuando están unidas a una ciclina. Para que sean activas, las CDKs deben estar unidas a las proteínas ciclinas. Una vez formado el complejo CDK-ciclina, la CDK tiene actividad quinasa; es decir, tiene la capacidad de fosforilar (añadir grupos fosfato) a determinados sustratos como otras proteínas.

Los niveles de cada ciclina van variando durante las distintas fases del ciclo celular, lo que hace que en cada fase actúen unas quinasas distintas. En la fase G1, hay altos niveles de la ciclina D, que se une a CDK4 y CDK6. Luego, van subiendo los niveles de ciclina E, y cuando llegan al máximo se produce la transición a la fase S. La ciclina E se une a la CDK2. Durante la fase S, van aumentando los niveles de ciclina A, y cuando son suficientemente elevados, se produce la replicación del ADN. En este caso, la ciclina A se une también a la CDK2. Los niveles de ciclina A se siguen manteniendo elevados durante la fase G2, pero cuando esta ciclina se une a la CDK1, se produce la transición de G2 a M. Durante la fase G2, también hay niveles elevados de ciclina B, que se une a la CDK1, y esto regula la fase M.

Puntos de Control del Ciclo Celular

Las ciclinas y CDKs controlan el avance en el ciclo celular, pero la célula debe asegurarse de que todo está correctamente antes de activar las vías de señalización en las que participan dichas proteínas para avanzar a la siguiente fase. Las condiciones internas y externas de la célula se comprueban en distintos puntos a lo largo del ciclo, llamados puntos de control. Debido a la importancia de una correcta regulación del ciclo celular, hay varios puntos en los que se comprueba si se cumplen determinadas condiciones en la célula, y si no se cumplen, el ciclo no avanza.

Existe un sistema molecular, denominado punto de control, que impide que la célula comience la siguiente etapa, la fase S, si no se han alcanzado todos los requisitos necesarios para avanzar en el ciclo celular. Por ejemplo, un tamaño inadecuado o tener el ADN dañado. Tampoco se avanzará si no hay señales externas a la célula que promuevan ese avance, como factores de crecimiento, factores de supervivencia, mitógenos o nutrientes.

• Punto de control G1/S: Se encuentra casi al final de la fase G1 de la interfase. En este punto de control se comprueba que la célula haya adquirido el tamaño suficiente para dividirse, que tenga suficientes nutrientes y que el ADN no esté dañado. Revisa si la célula debe o no dividirse.
• Punto de control G2/M: Se encuentra al final de la fase G2. Una vez la célula ha superado el punto de control G1/S y su genoma se ha duplicado, se comprueba si este se ha replicado correctamente.
• Punto de control de Metafase/Anafase: Se encuentra en la fase M, entre la metafase y la anafase. Si el ADN se ha replicado correctamente, la célula entra en mitosis, y hay otro punto de control durante este proceso. Para pasar de la metafase a la anafase, se comprueba que los cromosomas estén bien alineados en el centro de la célula y unidos al huso acromático, para un reparto equitativo del genoma a las dos células hijas.

Tipos de División Celular

Existen dos tipos principales de división celular: la mitosis y la meiosis, que ocurren en células eucariontes. En los procariontes y los eucariontes, los cromosomas se duplican antes de la división celular. Luego, se distribuyen entre las células hijas de tal manera que se produce una distribución equitativa del material hereditario.

Mitosis: División de Células Somáticas

La mitosis es el tipo de división que ocurre en células somáticas. Es un proceso fundamental para la vida, que permite el crecimiento y desarrollo, así como la renovación de los tejidos. Durante la mitosis, una célula duplica todo su contenido, incluyendo sus cromosomas, y se divide para formar dos células hijas idénticas. Es decir, a partir de una célula madre se obtienen dos células hijas con el mismo contenido genético. Cada célula somática o germinal puede proliferar y terminar su ciclo celular dividiéndose y convirtiéndose en dos células hijas con la misma dotación génica que su antecesora por un proceso denominado mitosis. Las células somáticas producen otras células somáticas.

Fases de la Mitosis

La mitosis se puede dividir a su vez en varias etapas relacionadas con los diferentes estados por los que va pasando el ADN. Se denominan profase, metafase, anafase y telofase.

• Profase: La cromatina (complejo de ADN y proteínas) del núcleo celular se condensa y se organiza en cromosomas. Posteriormente, la membrana nuclear y el nucléolo desaparecen. Al comienzo de la mitosis, cada cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas y se encuentra totalmente condensado. El huso mitótico está armado y las fibras cinetocóricas están unidas a los centrómeros de los cromosomas.
• Metafase: Todos los cromosomas cambian su disposición y se alinean justo en el centro de la célula. Esto da como resultado la formación de la llamada placa ecuatorial. En la metafase, los cromosomas se encuentran alineados en el centro de la célula, unidos al huso acromático.
• Anafase: Ahora, los cromosomas se dividen justo por la mitad y cada sección se dirige hacia un extremo de la célula, por lo que quedan separados. A partir de esta fase se distribuyen las copias de la información genética original. Las fibras del huso separan las cromátidas hermanas, que son conducidas a polos opuestos de la célula. El huso acromático tira de los cromosomas para separarlos.
• Telofase: Cuando los cromosomas alcanzan los polos opuestos, se dice que la célula está en telofase. Se origina una nueva membrana en cada extremo de la célula, envolviendo el material del núcleo. Al final, aparecen dos núcleos iguales al núcleo original y quedan formadas dos células hijas con cromosomas idénticos a los de la célula madre. La envoltura nuclear y el nucléolo se regeneran. El núcleo y nucléolo de cada célula se integran y las cromátidas dejan de condensarse, se forma la cromatina.

Citocinesis: División del Citoplasma

Al mismo tiempo, en las últimas fases de la mitosis, comienza la citocinesis, un mecanismo molecular para la división del citoplasma de la célula madre en dos. En las células animales, es consecuencia de un estrangulamiento del citoplasma de la célula progenitora por un anillo formado por las proteínas actina y miosina. La citocinesis divide a la célula madre en dos hijas casi iguales.

En las células vegetales, la citocinesis es diferente. Se sintetiza una pared celular que terminará por separar el citoplasma inicial en dos citoplasmas que tendrán cada una de las células hijas. El plano de la división celular se establece en la fase G2 tardía del ciclo celular, cuando los microtúbulos del citoesqueleto se reorganizan en una estructura circular, la banda de preprofase, justo por dentro de la pared celular. Aunque esta banda desaparece al comenzar la profase, determina la ubicación futura del ecuador y de la placa celular. Cuando el huso se degrada, la nueva pared comienza a formarse a la mitad de la célula, donde se encontraba la placa ecuatorial, y se extiende gradualmente hacia afuera hasta que alcanza la región exacta de la pared celular ocupada previamente por la banda de preprofase.

Meiosis: Creación de Gametos y Variabilidad Genética

La meiosis es el otro tipo de división celular. Es el proceso por el cual se reduce el número de cromosomas a la mitad, de diploide (2n) a haploide (n), para formar células sexuales o gametos. Es decir, a partir de una célula diploide se obtienen cuatro células haploides de cromosomas distintos entre sí, pero diferentes de los de la célula madre. El resultado son células hijas en posesión de un núcleo con la mitad del material hereditario. La reproducción sexual en los organismos eucariontes es posible gracias a la división celular meiótica. En mamíferos, se lleva a cabo en los ovarios y en los testículos, con lo cual se forman los gametos.

La meiosis consiste en dos divisiones sucesivas que producen cuatro células hijas haploides. Durante la meiosis, los miembros de cada par de cromosomas homólogos se separan y cada gameto haploide (n), producido a partir de una célula diploide (2n), lleva solo un miembro de cada par. En la fecundación, los núcleos del espermatozoide y del óvulo se unen en el cigoto, cuyo núcleo contiene, nuevamente, los cromosomas homólogos de a pares. Cada par está formado por un cromosoma homólogo proveniente de un progenitor y el otro homólogo proveniente del otro progenitor. Es importante destacar que, en la meiosis, cada núcleo diploide se divide dos veces, pero los cromosomas se duplican una sola vez.

Meiosis I (División Reduccional)

La meiosis consta de dos etapas principales, la primera es la Meiosis I, también conocida como división reduccional.

• Profase I: Los cromosomas del núcleo celular comienzan a organizarse, de modo que los homólogos se aparean adhiriéndose en toda su longitud en un proceso llamado sinapsis. Durante esta fase, ocurre la recombinación genética en los quiasmas.
• Entrecruzamiento y Quiasmas: Durante la profase I, un mecanismo que contribuye en mayor medida a la variabilidad genética es el entrecruzamiento. Al finalizar la profase, el complejo de apareamiento se desintegra, pero algunas zonas de las cromátidas no hermanas quedan unidas en regiones que han sido llamadas quiasmas. El quiasma es el lugar físico donde las dos cromátidas no hermanas se unen para intercambiar material genético. En este proceso, una parte de un cromosoma se une a la de otro e intercambian información, lo que se conoce como entrecruzamiento o recombinación, ya que la información genética de los cromosomas se combina. Durante la meiosis, los cromosomas homólogos se aparean, se entrecruzan y se segregan al azar.
• Metafase I: Los pares de cromosomas son ya visibles y se disponen en línea en el centro de la célula, formando la placa ecuatorial.
• Anafase I: Cada cromosoma de un par se dirige a un extremo de la célula. El quiasma entre homólogos se deshace y cada cromosoma, con sus dos cromátidas hermanas, es llevado hacia un polo de la célula. La unión entre cromosomas homólogos se termina y cada cromosoma, con sus dos cromátidas, se mueve hacia polos opuestos.
• Telofase I: Alrededor de los nuevos núcleos, con un solo cromosoma de cada par, se forma una membrana nuclear. La envoltura nuclear y el nucléolo son regenerados. Posteriormente, sucede la intercinesis, que es semejante a una interfase, pero durante este proceso los cromosomas no se condensan ni se replican.

Meiosis II (División Ecuacional)

La Meiosis II es similar a la mitosis, pero ocurre en las células haploides resultantes de la Meiosis I. El huso se vuelve a formar y los cromosomas se unen a los microtúbulos. El núcleo y nucléolo de cada célula se reintegran, las cromátidas dejan de condensarse y adquieren un aspecto difuso, formando la cromatina.

Variabilidad Genética

En las especies con reproducción sexual, ocurren tres procesos que actúan como fuentes de variabilidad genética: el entrecruzamiento, la segregación al azar de los cromosomas de los progenitores y la fecundación.

Fisión Binaria: División en Procariontes

Las células procariotas propias de los organismos más simples, como las bacterias o arqueobacterias, se dividen por medio de fisión binaria o bipartición. A diferencia de las células eucariotas, su reproducción da lugar a nuevos individuos. Los organismos procariontes generalmente cuentan con un solo cromosoma. En primer lugar, el ADN se replica y se producen dos copias del cromosoma que no se alinean en un plano ecuatorial. Cada copia se mueve a una parte distinta de la membrana celular y la célula comienza a separarse en dos.

Las señales de reproducción en procariontes son factores externos como pueden ser las condiciones ambientales (temperatura, pH) y la concentración de nutrientes. El ciclo celular procariótico consta de crecimiento y duplicación de ADN, seguido por la fisión binaria y citocinesis.

Cromosomas y Material Genético

Es importante saber que cada núcleo de una célula contiene cromosomas compuestos por moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN), que contienen el código genético que determina las características de los seres vivos. El ADN es una molécula constituida por dos largas cadenas de nucleótidos y es la información genética de la célula que se transmite de generación en generación. Las cadenas de ADN se encuentran dispuestas por todo el núcleo.

La información genética de las células eucariotas se empaqueta en complejos de ADN y proteínas llamadas histonas. Un núcleo de ocho moléculas de histona forma un nucleosoma. En la etapa S del ciclo celular se duplican el ADN y sus proteínas asociadas.

Estructura del Cromosoma

Un cromosoma está formado por dos copias de ADN; cada copia forma una cromátida. La unión de ambas da la forma de "X" al cromosoma. Las cromátidas que conforman el cromosoma y contienen la misma información genética se llaman cromátidas hermanas.

• El centrómero es el lugar donde se unen las cromátidas hermanas, estrechando una región del cromosoma.
• El cinetocoro se desarrolla en la región del centrómero durante la profase, una en cada cromátida. Estas estructuras permiten el movimiento de los cromosomas durante la división celular.
• Un telómero es una secuencia repetitiva de nucleótidos ubicada al final de cada cromátida. Su función es proteger a los cromosomas contra la deterioración causada por el tiempo o por fusiones que puedan ocurrir con otros cromosomas.

Dotación Cromosómica

• Las células somáticas de la mayoría de las plantas y animales son diploides (2n), lo que significa que tienen una dotación doble de cromosomas.
• Sus gametos son haploides (n), es decir, tienen una dotación simple de cromosomas.
• Las células poliploides tienen más de dos dotaciones cromosómicas.
• En toda célula diploide, cada cromosoma tiene su par homólogo.
• El cariotipo es el conjunto de cromosomas de una célula, individuo o especie.

Importancia de la Regulación y Consecuencias de su Fallo

Es importante controlar que las células no se dividan más de la cuenta y que no se dividan si presentan un daño importante en el ADN, ya que una mala regulación del ciclo celular puede dar lugar a cáncer. Las células cancerosas escapan al control del ciclo celular, presentan determinadas mutaciones que les permiten dividirse continuamente. Cuando la mitosis no se regula adecuadamente, pueden producirse problemas de salud como el cáncer. El estudio de la división celular es esencial en la medicina porque las alteraciones en este proceso están asociadas con diversas patologías.

Envejecimiento Celular y Apoptosis

Todas las células del cuerpo de un ser vivo, con excepción de las germinales, se dividen por mitosis hasta 50 veces durante su vida. El número de divisiones de las células eucariontes en cultivo disminuye con el tiempo y está correlacionado con el acortamiento progresivo de los telómeros. Este acortamiento de los telómeros con cada división puede conducir al deterioro de las células y, en consecuencia, de órganos y tejidos, y dar inicio o promover ciertas enfermedades asociadas con la vejez.

La apoptosis es un proceso de muerte celular programada genéticamente. En los vertebrados, controla el número de neuronas durante el desarrollo del sistema nervioso, elimina células defectuosas y da forma a los órganos en desarrollo. Las células inician la apoptosis cuando reciben señales de daño o final de vida. Las caspasas son enzimas que degradan las proteínas de la lámina nuclear y del citoesqueleto, y provocan la apoptosis. Por otro lado, la necrosis es un tipo de muerte celular no controlada.

Clonación: Un Proceso Natural y Tecnológico

Un clon (del griego klon, brote) es una célula o individuo genéticamente idéntico a una sola célula o individuo original. La clonación es un fenómeno natural que existe desde que la vida comenzó, aunque también se realiza tecnológicamente. Es un tipo de reproducción asexual, es decir, no hay intercambio de material genético.

Esto puede ocurrir por medio de fragmentos de tejido (como los cladodios en plantas) que dan origen a un organismo completamente nuevo o por medio de embriones (semillas) que no fueron fecundados. Algunas plantas se reproducen a través de los brotes laterales, es decir, se reproducen por clonación.

No obstante, el tema de la clonación comenzó a cobrar mayor relevancia en 1996 con Dolly, el primer mamífero que fue clonado a partir de una célula somática adulta fusionada con un óvulo enucleado. Así, Dolly compartía todo el ADN nuclear de la célula somática, pero el ADN de sus mitocondrias provenía del óvulo de la otra oveja.

Aplicaciones y Dilemas Éticos de la Clonación

Entre las aplicaciones de la clonación se encuentran la clonación terapéutica (creación de células o tejidos para reemplazar órganos enfermos), el abastecimiento de alimentos, y la recuperación de especies en peligro de extinción. Sin embargo, todo este tema es muy interesante, pero también es la llave de grandes dilemas éticos, de ellos el más importante es: ¿la clonación es buena o es mala?

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