material genetico y reproduccion celular

Todo organismo, desde los más simples (procariontes) a los más complejos (eucariontes), posee una gran cantidad de información en cada una de sus células. Esta información se organiza en un tipo especial de molécula orgánica: el DNA.

El DNA es un ácido nucleico que permite codificar la información de los organismos y, gracias a los mecanismos de división celular, posibilita la transmisión de esa información de una generación a otra. El DNA se organiza en unidades de información llamadas genes, que corresponden a los fragmentos más pequeños de una molécula de DNA, y poseen información completa para un caracter determinado. El lugar específico que ocupa un gen en el cromosoma se denomina loci o locus. Técnicas de mapeo permiten determinar la ubicación de diferentes genes a lo largo de un cromosoma en distintas especies.

Para optimizar el almacenamiento de esta gran cantidad de información en cada célula, el DNA se empaqueta junto a unas proteínas estructurales llamadas histonas, formando los nucleosomas (Fig. 1).

Fig. 1: Esquema que muestra la organización del DNA y las histonas.

Los nucleosomas son parte de la cromatina, complejo de DNA y proteínas que durante la interfase del ciclo celular se encuentra descondensada. Cuando en la célula se inicia el proceso de división, el material genético experimenta un empaquetamiento y los cromosomas se estructuran (Fig. 2).

En las células somáticas los cromosomas se presentan en pares idénticos, conocidos como homólogos, uno de los cuales es de origen paterno y otro de origen materno. Cuando la célula contiene el número total de cromosomas 2n, es diploide, mientras que si la célula presenta la mitad de la dotación cromosómica, es haploide n, como en el caso de los gametos. La representación del conjunto de cromosomas de un individuo ordenados en parejas de mayor a menor, constituye su cariotipo.

Fig. 2: Organización de un cromosoma

Ahora que hemos visto la forma en que se organiza el material genético, estudiaremos el comportamiento de los cromosomas en dos importantes tipos de división celular: mitosis y meiosis.

Ciclo celular y mitosis

Las actividades celulares de crecimiento y división pueden describirse según el ciclo vital de la célula o ciclo celular (Fig. 3).

La mitosis es parte del ciclo celular de división que experimenta toda célula para multiplicarse, e implica la participación del núcleo asegurando que cada célula generada reciba una copia de cada cromosoma de la célula progenitora.

Fig. 3: Ciclo celular

Durante la mitosis se distinguen distintas etapas que se identifican claramente a través del microscopio, ya que los cromosomas están condensados.

En el siguiente esquema se ilustran las distintas etapas del ciclo celular y sus principales características (Fig. 4).

Interfase

Corresponde a la etapa entre dos divisiones sucesivas. Es la fase de mayor duración y en ella ocurre la duplicación del material genético y la síntesis de proteínas.

Profase

La cromatina se condensa y se hacen visibles los cromosomas. En los polos comienza a aparecer el huso mitótico, que une ambos centríolos. Comienza a desaparecer la envoltura nuclear.

Metafase

Desaparece la envoltura nuclear. Las fibras del huso se unen al cinetocoro de los cromosomas cortos y gruesos, los cuales están condensados. Se disponen en el plano central de la célula.

Anafase

Las cromátidas hermanas se separan gracias a los microtúbulos del huso. Una de las cromátidas de cada cromosoma se desplaza hacia un polo de la célula y la otra hacia el polo contrario.

Telofase

Cuando los cromosomas alcanzan los polos, se forma la envoltura nuclear sobre los cromosomas.

Esta etapa termina con la citocinesis, es decir, la división del citoplasma para generar dos células hijas.

La meiosis es un tipo especial de división celular que ocurre en las células germinales y genera células con la mitad de la dotación cromosómica. Esta reducción del material genético tiene especial importancia en la reproducción sexual, en la cual la unión de los gametos (generados por meiosis) permite mantener la dotación cromosómica de una generación a otra y al mismo tiempo generar variabilidad. La meiosis consiste en dos divisiones sucesivas de una célula diploide, con una sola duplicación del material genético.

A continuación puedes observar los eventos más importantes en cada etapa (Fig. 4).

Fig. 4: a. Etapas de la meiosis. b. Proceso de crossing over que no se muestra en el esquema general (ocurre en la profase I, durante el paquiteno)

Etapas de la meiosis

Meiosis I

Profase I: es la fase más larga de la meiosis y en ella los cromosomas homólogos se aparean entre sí, formando una estructura compleja de DNA y proteína. La estructura resultante se denomina tétrada, por estar formada por las dos cromátidas de cada cromosoma. A continuación se produce un entrecruzamiento o crossing-over entre los cromosomas homólogos, el cual consiste en un intercambio de fragmentos cromosómicos entre dos cromátidas homólogas (no hermanas).

Metafase I: las tétradas se alinean en el ecuador de la célula. Las fibras del huso se "pegan" al centrómero de cada par homólogo y los eventos subsiguientes son similares a la mitosis.

Anafase I: las tétradas se separan y los cromosomas son arrastrados a los polos opuestos por las fibras del huso. Los centrómeros en la anafase I permanecen intactos.

Telofase I: esta fase varía en los diferentes organismos. A veces los cromosomas pierden su condensación y se forman las membranas nucleares alrededor de cada uno de los polos. Otras veces, los cromosomas pasan directamente a la meiosis II.

Citocinesis: Corresponde a la división del citoplasma en las células hijas, proceso que se denomina citocinesis.

Meiosis II

Profase II: los cromosomas están completamente condensados y se hallan en número haploide. No han experimentado duplicación del material genético luego de la citocinesis.

Metafase II: los cromosomas se encuentran en el plano ecuatorial y se unen al huso mitótico a través de sus centrómeros.

Anafase II: las cromátidas, ahora cromosomas hijos, se separan y migran hacia los polos.

Telofase II: se forman las membranas nucleares y los cromosomas comienzan a descondensarse.

Citocinesis: la telofase II finaliza con la división del citoplasma que da lugar a las células hijas.

Consecuencias genéticas de la meiosis

Reducción del número de cromosomas a la mitad: esta reducción a la mitad es la que permite que, en el fenómeno de la fecundación, se reconstituya el número de cromosomas de la especie. Por ejemplo, en el ser humano se tienen 46 cromosomas y se forman células haploides (gametos) de 23 cromosomas.

Recombinación de información genética heredada del padre y la madre: el apareamiento de los cromosomas homólogos y el consecuente crossing-over permiten que se intercambie la información. La consecuencia de este fenómeno es que ningún hijo heredará un cromosoma íntegro de uno de sus abuelos.

Segregación al azar de cromosomas maternos y paternos: la separación de los cromosomas paternos y maternos recombinados, durante la anafase I y II, se realiza completamente al azar, por lo que contribuyen al aumento de la diversidad genética. En el ser humano, con 23 pares de cromosomas homólogos, la posibilidad de recombinación es de 2²³ (8.388.608) combinaciones. Este número no considera las múltiples combinaciones dadas por la recombinación durante el crossing-over.

Durante la gametogénesis (formación de gametos) ocurre la meiosis y se generan gametos con la mitad de dotación cromosómica para que, en la reproducción sexual, se mantenga la diploidía. En la figura 5 y 6 puedes ver esquemas de la espermatogénesis y ovogénesis, y comparar ambos procesos.

Figura 5: Esquema de la espermatogénesis

Figura 6: Esquema de la ovogénesis

la celula

Si nos preguntamos qué tienen en común organismos tan diversos como las bacterias, los hongos, las plantas y los animales, diremos, seguramente, que todos están constituidos por una o más células. Por ello decimos que la célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos, pues en ella se realizan diferentes procesos bioquímicos que permiten su supervivencia y, por lo tanto, del organismo como un todo.

A pesar de la variedad de formas y tamaños en los distintos organismos, la organización fundamental de las células es relativamente uniforme, por lo que es posible clasificarlas en dos grandes tipos:

Células Procariontes (pro, antes de; karyon, núcleo): su principal característica es que no poseen núcleo y, por lo tanto, el material genético se encuentra en el citoplasma, en una región denominada nucleoide. Son células primitivas muy simples, que carecen de organelos membranosos. A este tipo de célula pertenecen microorganismos como las bacterias, que son unicelulares, es decir, que están formadas por una célula (Fig. 1).

Fig. 1. Esquema de una bacteria, célula procarionte.

Células Eucariontes (eu, verdadero; karyon, núcleo): su principal característica es que poseen un núcleo en el que está contenido el material genético. Son células complejas y evolucionadas y en su interior existe una serie de organelos membranosos. Organismos pertenecientes a los reinos Protista, Fungi, Vegetal y Animal están constituidos por este tipo de células. Las células eucariontes pueden ser de dos grandes tipos: animales y vegetales (Fig.2).

Fig. 2: Tipos de células eucariontes.

A pesar de las diferencias entre células vegetales y animales, se distinguen tres partes fundamentales:

Membrana Plasmática: constituye el límite de la célula y, por lo tanto, define el medio interno celular. Está formada por una bicapa lipídica (fosfolípidos) que le otorga un carácter hidrofóbico. En ella se encuentran insertas diferentes proteínas, algunas de las cuales actúan como bombas y canales para el transporte de sustancias hacia dentro y fuera de las células (Fig.3). La membrana plasmática actúa como una barrera semipermeable porque regula el flujo de sustancias en ambas direcciones.

Fig. 3: Composición molecular tipo de la membrana plasmática.

Núcleo: como ya hemos dicho, en el núcleo se encuentra el material genético o DNA. Es el organelo más notorio en las células y está separado del citoplasma por una envoltura formada por una membrana doble que posee poros nucleares para la comunicación entre el contenido nuclear y el citosol.

Citoplasma: corresponde al contenido celular exceptuando el núcleo y en él encontramos una serie de organelos, cada uno con funciones determinadas (tabla 1).

Tabla 1: Principales organelos en las células eucariontes

Hemos visto los principales tipos celulares y los distintos organelos de las células eucariontes. Ahora veremos cómo las células ingresan sustancias nutritivas para realizar las diferentes funciones y eliminan las sustancias de desecho o secretan moléculas específicas. Este intercambio se realiza a través de la membrana plasmática y mediante otros mecanismos diferentes:

Transporte pasivo: Se trata de un proceso que no requiere energía, pues las moléculas se desplazan espontáneamente a través de la membrana a favor del gradiente de concentración, es decir, desde una zona de concentración de solutos elevada a otra de concentración de solutos más baja (Fig. 4).

Transporte activo: Transporte que ocurre en contra del gradiente de concentración y, por lo tanto, necesita aporte energético (ATP). Las proteínas transportadoras que intervienen se llaman "bombas" (Fig. 4).

Fig. 4: Diferentes tipos de transporte a través de la membrana plasmática.

El transporte de agua a través de la membrana plasmática ocurre por un mecanismo denominado OSMOSIS. El agua se desplaza libremente por la membrana plasmática, pero este movimiento está determinado por la presión osmótica, que es producida por la diferencia de concentraciones de soluto a ambos lados de la membrana (Fig. 5). El solvente fluye de la zona de menor concentración de soluto (solución hipotónica) hacia la de mayor concentración de soluto (solución hipertónica).

Fig. 5: Osmosis.

Ejercicios:

Ahora que hemos aprendido sobre la célula, reflexiona y responde las siguientes preguntas y ejercicios:

1. Realiza un mapa conceptual con los tipos celulares que existen indicando las principales diferencias.
2. En nuestro cuerpo existen varios tipos de células (todas eucariontes) con distintas formas y funciones. Nombra tres, asociando forma y función.
3. Explica cuál es el efecto de la osmosis en las células cuando se colocan en un medio:

a. Hipertónico.
b. Hipotónico.
c. Isotónico.