La continuidad de la vida:Reproduccin celular

CA

P

TU

LO

11

Las quemaduras por el Sol no slo son dolorosas, sino que en ocasionesprovocan cncer de la piel.

191

DE UN VISTAZO

E S T U D I O D E C A S O Q U TA N T O VA L E L A P E N A U N B U E N B R O N C E A D O ?

E S T U D I O D E C A S O : Qu tanto vale la pena un buen bronceado?

11.1 Cul es la funcin de la reproduccin celularen la vida de clulas individuales y de organismoscompletos?El ciclo celular procaritico consiste en crecimiento y fisin

binariaEl ciclo celular eucaritico consiste en la interfase y la divisin

celular

11.2 Cmo se organiza el DNA en los cromosomasde las clulas eucariticas?

El cromosoma eucaritico consiste en una molcula de DNAlineal unida a protenas

Los cromosomas eucariticos se presentan habitualmente enpares homlogos con informacin gentica similar

11.3 Cmo se reproducen las clulas por divisincelular mittica?

Durante la profase los cromosomas se condensan y losmicrotbulos del huso se forman y se unen a los cromosomas

Durante la metafase los cromosomas se alinean a lo largo delecuador de la clula

Durante la anafase las cromtidas hermanas se separan y sonatradas hacia polos opuestos de la clula

Durante la telofase la envoltura nuclear se forma alrededor deambos grupos de cromosomas

Durante la citocinesis el citoplasma se divide entre dos clulashijas

11.4 Cmo se controla el ciclo celular?

Investigacin cientfica: Copias al carbn, la clonacin en lanaturaleza y en el laboratorioLos puntos de control regulan el progreso durante el ciclo celularLa actividad de enzimas especficas impulsa el ciclo celular Mecanismos de regulacin sobre los puntos de control

11.5 Por qu tantos organismos se reproducensexualmente?

Las mutaciones de DNA son la fuente ltima de la variabilidadgentica

La reproduccin sexual puede combinar diferentes alelosprogenitores en un solo descendiente

11.6 Cmo la divisin celular meitica produceclulas haploides?

La meiosis separa los cromosomas homlogos y producencleos hijos haploides

Guardin de la salud: Cncer, divisin celular mitticadescontroladaLa divisin celular meitica seguida por la fusin de gametos

mantiene constante el nmero de cromosomas de unageneracin a otra

La meiosis I separa los cromosomas homlogos en dos ncleoshaploides hijos

La meiosis II separa las cromtidas hermanas en cuatroncleos hijos

11.7 Cundo ocurren la divisin celular meitica y mittica en el ciclo de vida de los eucariotas?

En los ciclos de vida haploides, la mayora del ciclo consta declulas haploides

En los ciclos de vida diploides la mayora del ciclo consiste enclulas diploides

En la alternancia del ciclo de vida de las generaciones, haytanto etapas multicelulares haploides como diploides

11.8 De qu forma la meiosis y la reproduccinsexual originan variabilidad gentica?

La redistribucin de homlogos crea combinaciones nuevas decromosomas

El entrecruzamiento crea cromosomas con combinacionesnuevas de genes

La fusin de gametos aporta ms variabilidad gentica a ladescendencia

O T R O V I S TA Z O A L E S T U D I O D E C A S OQu tanto vale la pena un buen bronceado?

A RAQUEL LE GUSTAN los paseos al aire li-bre y los rayos del Sol. Incluso cuando ellano participaba en competencias de natacincon el equipo de su escuela, jugaba voleibolo simplemente tomaba el Sol. Sus amigosadmiraban su estupendo bronceado. Esaprimavera, cuando una compaera del equi-po le avis que tena un visible lunar negroen la espalda, Raquel slo se encogi dehombros diciendo: Siempre he tenido unlunar en ese lugar. Ella habra olvidado porcompleto la situacin, a no ser porque su entrenador de natacin le pidi que se prac-ticara una revisin mdica. Entonces, ellaconcert una cita con su doctor de cabecera,quien le quitara el lunar en su consultorio.

Despus de una ciruga menor, Raquel seolvid del asunto y su herida cicatriz a

tiempo para su siguiente competencia de-portiva, en la cual gan el primer lugar enlos 100 metros estilo mariposa. Se senta en la cima del mundo. No obstante, su doc-tor le llam pocos das despus. Siguiendoun procedimiento de rutina, ste mand eltejido extirpado a un laboratorio para suanlisis. El diagnstico fue un tipo de cncerllamado melanoma.

Se trataba de un cncer de piel que ge-neralmente empieza con una pigmentacinen las clulas ms profundas de la piel. Lue-go el cncer puede expandirse a otras par-tes del cuerpo, incluyendo los rganosinternos, originando as un padecimientomuy difcil de tratar que con frecuencia re-sulta mortal. En Estados Unidos la Asocia-cin Dermatolgica Nacional calcula que a

ms de 54,000 personas en ese pas se lesdiagnosticar melanoma este ao y comoconsecuencia habr 8000 muertes. En la ac-tualidad se trata del tipo de cncer ms co-mn en las personas de entre 25 y 29 aosde edad. Con frecuencia el melanoma esprovocado por la exposicin a los rayos ul-travioleta de la luz solar.

Por qu se forman los cnceres? Cmoes que la luz solar es una causa del cncer?Para contestar estas preguntas necesitamoscomprender cmo se dividen las clulas,cmo controlan su rapidez de divisin celu-lar y cmo las clulas cancerosas escapan atales controles.

192 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

11.1 CUL ES LA FUNCIN DE LA REPRODUCCIN CELULAR EN LA VIDADE CLULAS INDIVIDUALES Y DE ORGANISMOS COMPLETOS?

El ciclo celular es la secuencia de actividades que ocurren deuna divisin celular a la siguiente. Cuando una clula se divi-de tiene que transmitir a sus descendientes (a menudo llamadosclulas hijas) la informacin gentica (DNA) y los demscomponentes celulares que necesitan, como mitocondrias, ri-bosomas y retculo endoplsmico. Buena parte de este textose dedica a las actividades de la clulas cuando no se dividen.Sin embargo, en este captulo nos enfocaremos en los meca-nismos de la divisin celular y en el papel de sta en las vidasde clulas individuales y de organismos multicelulares.

La reproduccin en la cual se forman descendientes a par-tir de un solo progenitor, sin la intervencin de los gametos

(espermatozoide y vulo) de dos progenitores, se denominareproduccin asexual. Los organismos unicelulares, incluyen-do los Paramecium de los estanques (FIGURA 11.1a) y la leva-dura que hace que el pan se expanda (FIGURA 11.1b), sereproducen asexualmente por divisin celular cada ciclo ce-lular produce dos nuevos organismos a partir de cada clulapreexistente. No obstante, la reproduccin asexual no se res-tringe a los organismos unicelulares. Durante tu vida tambint has vivido la reproduccin asexual, o al menos tus clulaslo han hecho. Desde tu concepcin un solo vulo fertilizado,mediante divisin celular (reproduccin asexual) ha produci-do todos los billones de clulas en tu cuerpo, y cotidianamen-te las clulas siguen dividindose en diferentes rganos, comotu piel y tus intestinos.

Los organismos multicelulares tambin se reproducen ase-xualmente. Al igual que su pariente la anmona marina, unaHydra se reproduce haciendo crecer una pequea rplica de smisma, una yema, en su cuerpo (FIGURA 11-1c). La yema se se-

Los rboles han perdido sus hojas.

Los rboles an son verdes.

En esta arboleda los lamos comienzan a cambiar de color.

a)

b)

c) d)

yema

FIGURA 11-1 La divisin celular en los eucariotas permite la reproduccin asexuala) En los microorganismos unicelulares, como el protista Paramecium, la divisin celular produce dos organismosidnticos entre s y al progenitor e independientes. b) La levadura, un hongo unicelular, se reproduce mediantedivisin celular. c) La Hydra, un pariente de agua dulce de la anmona marina, se reproduce haciendo crecer enun costado una rplica en miniatura de s misma (una yema). Cuando se desarrolla por completo, la yema se se-para de su progenitora para vivir de forma independiente. d) En esta arboleda los lamos a menudo son idnti-cos genticamente; cada uno crece a partir de las races de un solo rbol ancestral. Esta foto muestra tresarboledas separadas cerca de Aspen, Colorado. En otoo la apariencia de sus hojas muestra la identidad genti-ca dentro de una arboleda y las diferencias genticas entre stas.

CUL ES LA FUNCIN DE LA REPRODUCCIN CELULAR EN LA VIDA DE CLULAS INDIVIDUALES.. .? 193

a)

b)

pared celular

membranaplasmtica

DNAcircular

punto de unin

La molcula circular de DNA se une a la membrana plasmtica en un punto.

Se duplica el DNA y las dos molculas de DNA se unen a la membrana plasmtica en puntos cercanos.

Se agrega membrana plasmtica entre los puntos de unin, separndolos.

La membrana plasmtica crece hacia adentro a la mitad de la clula.

La clula progenitora se divide en dos clulas hijas.

1

2

3

4

5

divisincelular por fisin binaria

crecimiento de la clula y duplicacin del DNA

FIGURA 11-2 El ciclo celular procariticoa) El ciclo celular procaritico consta de crecimiento y duplicacinde DNA, seguido por la fisin binaria. b) Fisin binaria en las clu-las procariticas.

para finalmente de su progenitora para vivir de forma indepen-diente. Muchas plantas y hongos se reproducen tanto asexualcomo sexualmente. Las hermosas alamedas de Colorado, Utahy Nuevo Mxico (FIGURA 11-1d) se desarrollan asexualmentea partir de retoos que crecen del sistema de races de un solorbol progenitor.Aunque la arboleda entera parece una pobla-cin de rboles individuales, se puede considerar como un soloindividuo, cuyos numerosos troncos estn interconectados porun sistema comn de races. Los lamos tambin se reproducenmediante semillas que se elaboran por la va de la reproduccinsexual.

Tanto las clulas eucariticas como las procariticas tienenciclos celulares que incluyen crecimiento, duplicacin deDNA y divisin celular. Como las diferencias estructurales yfuncionales entre estos dos tipos de clulas, los ciclos celula-res de los procariotas y los eucariotas difieren considerable-mente.

El ciclo celular procaritico consiste en crecimiento y fisin binaria

Con los suficientes nutrimentos y temperaturas favorables,por lo general, muchas clulas procariticas se dividen o sepreparan para dividirse. El ciclo celular consta de un periodode crecimiento relativamente largo durante el cual la clulatambin duplica su DNA, seguido por una divisin celularrpida (FIGURA 11-2a).

Las clulas procariticas experimentan un proceso de divi-sin celular que se conoce como fisin binaria, que significapartir en dos. El cromosoma procaritico que contiene elDNA por lo general es circular y est unido a una parte de lamembrana plasmtica (FIGURA 11-2b, r). Durante la exten-sa fase de crecimiento del ciclo celular procaritico, se du-plica el DNA y se producen dos cromosomas idnticos que seunen a la membrana plasmtica en puntos separados aunquecercanos (figura 11-2b,s). La clula aumenta de tamao tan-to durante la duplicacin del DNA como despus de ella.Conforme la clula crece, se alarga la membrana plasmticaentre los puntos de unin de los cromosomas, y stos quedanms separados (figura 11-2b,t). Cuando la clula aproxima-damente ha duplicado su tamao, la membrana plasmticaque rodea la parte media de la clula crece rpidamente ha-cia adentro entre los dos sitios de fijacin del DNA (figura 11-2b,u). Con la fusin de la membrana plasmtica a lo largodel ecuador de la clula, se completa la fisin binaria y se for-man dos clulas hijas y cada una contiene uno de los cromo-somas (figura 11-2b, v). Como la duplicacin del DNAproduce dos molculas idnticas de DNA (excepto en la mu-tacin ocasional), las dos clulas hijas son genticamenteidnticas a la clula progenitora y entre s.

194 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

FIGURA 11-3 Ciclo celular eucariticoEl ciclo celular eucaritico abarca la interfasey la divisin celular mittica. Es posible quealgunas clulas que entran en la fase G0 no sevuelvan a dividir.

En condiciones ideales la fisin binaria de los procariotasse lleva a cabo con rapidez. Por ejemplo, la bacteria intestinalcomn Escherichia coli puede crecer, duplicar su DNA y divi-dirse en aproximadamente 20 minutos. Por fortuna, las condi-ciones en nuestros intestinos no son ideales para elcrecimiento de las bacterias; de otra forma, las bacterias pron-to pesaran ms que el resto de nuestro cuerpo!

El ciclo celular eucaritico consiste en la interfase y la divisin celular

El ciclo celular eucaritico (FIGURA 11-3

Durante la interfase, la clula eucaritica aumenta de tamao y duplica su DNA

El ciclo celular eucaritico se divide en dos fases principales:interfase y divisin celular (vase la figura 11-3). Durante lainterfase la clula toma nutrimentos de su ambiente, crece yduplica sus cromosomas. A excepcin de la divisin celularmeitica (que se describe ms adelante), la divisin celular dis-tribuye una copia de cada cromosoma y, por lo regular, cercade la mitad del citoplasma (junto con mitocondrias, ribosomasy otros organelos) a cada una de las dos clulas hijas.

La mayora de las clulas eucariticas pasan la mayora desu tiempo en la interfase, preparndose para la divisin celu-lar. Por ejemplo, las clulas de nuestra piel, que se dividen to-dos los das, pasan alrededor de 22 horas en la interfase. Lainterfase misma contiene tres etapas: G1 (primera fase de in-tervalo o de crecimiento), S (sntesis de DNA) y G2 (segundafase de intervalo o de crecimiento).

Con la finalidad de explorar dichas etapas, consideremos elcaso de una clula hija recin formada, que entra en la fase G1de la interfase, durante la cual adquiere o sintetiza los mate-riales necesarios para su crecimiento y la divisin celular. Du-rante la fase G1 la clula es sensible a las seales internas yexternas que ayudan a la clula a decidirse si se divide. Si ladecisin es positiva, la clula entra en la fase S, que es cuandose realiza la sntesis de DNA. Despus de duplicar su DNA,la clula completa su crecimiento en la fase G2 antes de divi-dirse.

G0: no hay divisin

En algunas circunstancias, la clula puede regresar al ciclo celular.

interfase

profasem

etafase

citocinesis

telofase y

G2: crecimiento

celular

S: sntesis de DNA; los cromosomas se duplican

anafase

G1: crecimiento y diferenciacin

de la clula

CMO SE ORGANIZA EL DNA EN LOS CROMOSOMAS DE LAS CLULAS EUCARITICAS? 195

Como alternativa, si durante la fase G1 la decisin de di-visin es negativa, la clula tambin puede abandonar el ciclo celular durante G1 y entrar en una fase conocida comoG0. En sta las clulas estn vivas y metablicamente activas,quizs incluso aumenten de tamao, pero no duplican suDNA ni se dividen. En esta fase es cuando muchas clulas seespecializan, es decir, se diferencian. Las clulas musculares sellenan con las protenas contrctiles miosina y actina.Algunasclulas del sistema inmunitario se empacan con retculo endo-plsmico para producir grandes cantidades de protenas confuncin de anticuerpos; en tanto que las clulas nerviosas for-man grandes fibras, llamadas axones, que les permiten conec-tarse con otras clulas. Muchas clulas diferenciadas, entreellas las del msculo cardiaco, de los ojos y del cerebro, sequedan en G0 durante toda la vida.

Como sugiere este anlisis, el ciclo celular est regulado mi-nuciosamente durante la vida de un organismo. Sin la suficientedivisin celular en el momento y en los rganos adecuados, seafectara el desarrollo, o las partes corporales seran incapacesde remplazar clulas daadas o agotadas. Con una divisin ce-lular excesiva se podran formar cnceres. Investigaremos cmose controla el ciclo celular en la seccin 11.4.

En las clulas eucariticas hay dos tipos de divisin celular: la divisin celular mittica y la meitica

Las clulas eucariticas pueden experimentar uno de dos ti-pos de divisin celular que estn evolutivamente relaciona-dos, pero son muy diferentes: la divisin celular mittica y ladivisin celular meitica. La divisin celular mittica consisteen divisin nuclear (llamada mitosis) que va seguida por la di-visin citoplsmica (citocinesis). El trmino mitosis provienede la palabra griega mitos que significa hilo; durante la mi-tosis, los cromosomas se condensan y son visibles en forma deestructuras delgadas parecidas a hilos, cuando se observancon un microscopio ptico. La citocinesis (movimiento celu-lar en griego) es el proceso mediante el cual el citoplasma sedivide entre las dos clulas hijas. Como veremos ms adelan-te en este captulo, la mitosis da una copia del cromosoma du-plicado de la clula progenitora a cada uno de los ncleos delas clulas hijas; en tanto que la citocinesis, por lo general, co-loca uno de estos ncleos en cada clula hija. Por lo tanto, ladivisin celular mittica casi siempre produce dos clulas hijas que son genticamente idnticas entre s y respecto a laclula progenitora, y por lo general contienen aproximada-mente cantidades iguales de citoplasma.

La divisin celular mittica ocurre en todos los tipos de or-ganismos eucariticos. Es el mecanismo de reproduccin ase-xual de las clulas eucariticas, incluyendo organismosunicelulares como la levadura, la Amoeba y el Paramecium,as como en los organismos multicelulares como la Hydra ylos lamos. Por ltimo la divisin celular mittica es suma-mente importante en los organismos multicelulares, inclusocuando todo el organismo no se reproduzca asexualmente.

En la vida de los organismos multicelulares, la divisin ce-lular mittica seguida por la diferenciacin de las clulas hijaspermite que un huevo fertilizado se convierta en un adultocon quiz billones de clulas especializadas. La divisin celu-lar mittica tambin permite que un organismo conserve sustejidos, muchos de los cuales requieren frecuente remplazo.Por ejemplo, las clulas de tu mucosa estomacal, que constan-

temente se ven expuestas a la acidez y a enzimas digestivas,slo sobreviven durante tres das. Sin la divisin celular mit-tica que remplace tales clulas de corta vida, tu cuerpo prontosera incapaz de funcionar adecuadamente. Estas divisionestambin permiten que el cuerpo se repare a s mismo o inclu-so que en ocasiones regenere partes afectadas por una lesin.

La divisin celular mittica tambin juega un papel en labiotecnologa. La mitosis produce los ncleos que se utilizanen la clonacin, cuyo caso se examina en la seccin Investi-gacin cientfica: Copias al carbn, la clonacin en la natura-leza y en el laboratorio, ms adelante en este captulo. Comopor lo general la mitosis produce clulas hijas que son genti-camente idnticas a la clula progenitora, los clones son gen-ticamente idnticos a sus respectivos donadores nucleares(el organismo que aporta los ncleos para cada clonacin).Por ltimo, la divisin celular mittica puede generar clulasmadre, las cuales, tanto en el caso de embriones como de adul-tos, pueden producir una amplia variedad de tipos de clulasdiferenciadas, como las nerviosas, las del sistema inmunitarioo las musculares.

En los organismos eucariticos la reproduccin sexual esposible gracias a un proceso conocido como divisin celularmeitica. En los mamferos sta slo se lleva a cabo en losovarios y los testculos. El proceso de divisin celular meiti-ca comprende una divisin nuclear especializada llamadameiosis y dos series de citocinesis para producir cuatro clulashijas capaces de convertirse en gametos (vulos o espermato-zoides). Estos gametos contienen la mitad del material gen-tico del progenitor. Por consiguiente, las clulas producidasmediante divisin celular meitica no son genticamenteidnticas entre s ni a la clula original. Durante la reproduc-cin sexual la fusin de dos gametos, uno de cada progenitor,restablece un complemento total de material gentico y for-ma un descendiente genticamente nico que es parecido aambos progenitores, aunque no es idntico a ninguno de ellos(vase la seccin 11.6).

Examinaremos los eventos de la mitosis y la meiosis breve-mente. No obstante, para entender los mecanismos de ambasy de su importancia gentica y evolutiva, primero tendremosque explorar cmo se empaqueta el DNA en los cromosomaseucariticos.

11.2 CMO SE ORGANIZA EL DNA EN LOS CROMOSOMAS DE LAS CLULAS EUCARITICAS?

El cromosoma eucaritico consiste en una molculade DNA lineal unida a protenas

Hacer que todo el DNA de una clula eucaritica quepa en elncleo no es una tarea simple. Si estuviera colocado punta apunta, todo el DNA de una clula de tu cuerpo tendra unalongitud aproximada de 1.83 metros; sin embargo, este DNAdebe caber en un ncleo que es cuando menos un milln deveces ms pequeo! El grado de compactacin, o condensa-cin, del DNA vara segn la etapa del ciclo celular. Durantela mayora de la vida de una clula, mucho del DNA presen-ta su dispersin mxima y est fcilmente disponible para latrascripcin. En esta condicin de extensin, los cromosomas

196 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

nucleosoma: DNA envuelto alrededor de protenas histonas (10 nm de dimetro)

cromosoma: las espirales se juntan en el andamio de protena (200 nm de dimetro)

protenas histonas

DNA (2 nm de dimetro)

andamiode protena

espirales de DNA

nucleosomas enroscados (30 nm de dimetro)

FIGURA 11-4 Estructura del cromosomaUn cromosoma eucaritico contiene una sola molcula de DNA lineal(arriba), que en los seres humanos es de aproximadamente 14 a 73milmetros (mm) de largo y 2 nanmetros (nm) de dimetro. El DNAse enrolla alrededor de protenas llamadas histonas y forma nucleoso-mas que son las unidades de empaquetamiento del DNA (parte me-dia); esto reduce la longitud a cerca de un sexto de la original. Otrasprotenas enrollan los nucleosomas adyacentes, como el perro de ju-guete Slinky, reduciendo as la longitud en otro factor de 6 o 7. Lasespirales de DNA y sus protenas asociadas estn unidas en bucles para mantener las espirales de protenas ms grandes como anda-mio para completar el cromosoma (abajo). Todo este envoltorio y en-roscado hace que el cromosoma de la interfase extendido seaaproximadamente 1000 veces ms corto que la molcula de DNA quecontiene. Incluso otras protenas producen otra condensacin de cer-ca de 10 veces durante la divisin celular (vase la figura 11-6).

miles de genes, dispuestos en un orden lineal especfico a lolargo de las cadenas de DNA. Cada gen ocupa un lugar espe-cfico, o locus, en un cromosoma especfico.

Los cromosomas varan en longitud y, por lo tanto, en elnmero de genes que contienen. El cromosoma humano msgrande, el cromosoma 1, contiene aproximadamente 3000 ge-nes; mientras que uno de los cromosomas humanos ms pe-queos, el cromosoma 22, contiene slo alrededor de 600genes.

Adems de los genes, cada cromosoma tiene regiones es-pecializadas que son esenciales para su estructura y su fun-cin: dos telmeros y un centrmero (FIGURA 11-5). Los dosextremos de un cromosoma consisten en secuencias repetidasde nucletidos llamadas telmeros (parte final en griego),los cuales son fundamentales para la estabilidad del cromoso-ma. Sin los telmeros, los extremos de los cromosomas po-dran ser eliminados por enzimas reparadoras de DNA, obien, los extremos de dos o ms cromosomas podran conec-tarse y formar estructuras largas poco manejables, que quizno se distribuiran adecuadamente en el ncleo de las clulashijas durante la divisin celular.

genes

centrmero

telmero

FIGURA 11-5 Principales caractersticas de un cromosomaeucaritico

Al momento de condensarse, el DNA de cada cromosomaya se ha duplicado para formar dos molculas de DNA, quepermanecen unidas entre s en el centrmero (FIGURA 11-6).Aunque centrmero significa cuerpo medio, el centrmerode un cromosoma puede estar casi en cualquier punto a lo lar-go de la molcula de DNA. En tanto los dos cromosomas per-manezcan unidos por el centrmero, nos referimos a cada

individuales, que constan de una sola molcula de DNA y mu-chos de los cuales estn asociados con protenas (FIGURA 11-4),son demasiado pequeos para ser visibles bajo el microscopioptico. No obstante, en la divisin celular los cromosomas de-ben ser ordenados y trasladados al interior de dos ncleos hi-jos. Al igual que es ms fcil organizar una hebra cuando estenrollada y apretada en carretes, ordenar y transportar loscromosomas es ms sencillo cuando estn condensados y en-cogidos. Durante la divisin celular, ciertas protenas plieganel DNA de cada cromosoma para formar estructuras compac-tas que son visibles bajo el microscopio ptico.

Cul es la relacin entre los genes y los cromosomas? Re-cuerda que los genes son secuencias de DNA cuya longitud vadesde algunos cientos hasta muchos miles de nucletidos.Una sola molcula de DNA puede contener cientos o incluso

CMO SE ORGANIZA EL DNA EN LOS CROMOSOMAS DE LAS CLULAS EUCARITICAS? 197

cromtidas hermanas centrmero

FIGURA 11-6 Cromosomas humanos durante la mitosisEl DNA y las protenas asociadas de estos cromosomas humanosduplicados se han enroscado para formar las gruesas y cortas cro-mtidas hermanas unidas por el centrmero. Cada cadena visiblede textura es un lazo de DNA. Durante la divisin celular, loscromosomas condensados tienen de 5 a 20 micrmetros de largo.

cromtidas hermanas

cromosoma duplicado(2 molculas de DNA)

FIGURA 11-7 Un cromosoma duplicado consta de dos cromti-das hermanas

cromosomas sexuales

FIGURA 11-9 Cariotipo humano masculinoLa tincin y fotografa del juego completo de cromosomas dupli-cados de una sola clula en proceso de divisin permite obtenersu cariotipo. Las imgenes de los cromosomas individuales se re-cortan y se disponen en orden descendente de tamao. Los cro-mosomas se presentan en pares (homlogos) que son semejantesen cuanto a tamao y a modalidades de tincin, y que contienenun material gentico similar. Los cromosomas 1 a 22 son autoso-mas; en tanto que los cromosomas X y Y son los cromosomas se-xuales. Observa que el cromosoma Y es mucho ms pequeo queel cromosoma X. Si ste fuera un cariotipo hembra, contendra doscromosomas X.

cromosoma como una cromtida hermana. Por ende, el pro-ducto de la duplicacin del DNA es un cromosoma duplicadocon dos cromtidas hermanas idnticas (FIGURA 11-7).

clula (su cariotipo), resulta evidente que las clulas no repro-ductoras de muchos organismos, incluyendo a los seres huma-nos, contienen pares de cromosomas. Salvo una nicaexcepcin que analizaremos en breve, ambos miembros de ca-da par tienen la misma longitud y la misma modalidad de tin-cin. Esta semejanza en cuanto a tamao, forma y modalidadde tincin se debe a que cada uno de los cromosomas de unpar contiene los mismos genes, dispuestos en idntico orden.Los cromosomas que contienen los mismos genes se denomi-nan cromosomas homlogos, o simplemente homlogos, locual significa decir la misma cosa. Las clulas con pares decromosomas homlogos se describen como diploides, esto es,de forma doble.

Consideremos una clula de la piel humana. Aunque tiene46 cromosomas en total, la clula no tiene 46 cromosomas to-talmente diferentes. La clula tiene dos copias del cromosoma1, dos copias del cromosoma 2, y as sucesivamente, hasta lle-gar al cromosoma 22. Tales cromosomas, cuya apariencia ycomposicin gentica son similares, estn apareados en clu-las diploides de ambos sexos y se llaman autosomas. La clulatiene adems dos cromosomas sexuales: dos cromosomas X, oun cromosoma X y uno Y. Los cromosomas X y Y son bastan-te diferentes en tamao (vase la figura 11-9) y en composi-cin gentica.

Cromosomas hijos no duplicadosindependientes,cada uno con una molcula de DNA idntica

FIGURA 11-8 Cromtidas hermanas separadas se vuelven doscromosomas independientes

Durante la divisin celular mittica, las dos cromtidashermanas se separan y cada una se transforma en un cromo-soma no duplicado independiente que es entregado a una delas dos clulas hijas (FIGURA 11-8).

Los cromosomas eucariticos se presentan habitualmente en pares homlogos con informacingentica similar

Los cromosomas de cada especie eucaritica tienen formas, ta-maos y modalidades de tincin caractersticos (FIGURA 11-9).Al observar el juego completo de cromosomas teidos de una

198 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

De manera que los cromosomas sexuales son una excepcina la regla de que los cromosomas homlogos contienen los mis-mos genes. No obstante, como veremos ms adelante, los cro-mosomas X y Y se comportan como homlogos durante elproceso de divisin celular meitica, por lo que se considera alos X y Y como un par en nuestro sistema contable de cromo-somas.

La mayora de las clulas del cuerpo humano son diploi-des. Sin embargo, durante la reproduccin sexual las clulas delos ovarios o de los testculos sufren una divisin celularmeitica para producir gametos (espermatozoides u vulos)que tienen slo un miembro de cada par de autosomas y unode los dos cromosomas sexuales. Las clulas que contienenslo un ejemplar de cada tipo de cromosoma se denominanhaploides (que significa mitad). En los seres humanos unaclula haploide contiene uno de los 22 pares de autosomasms el cromosoma sexual X o Y, para sumar un total de 23

cromosomas. (Piensa en una clula haploide como la quecontiene la mitad del nmero diploide de cromosomas, o unode cada tipo de cromosomas. Una clula diploide contienedos cromosomas de cada tipo). Cuando un espermatozoidefertiliza un vulo, la fusin de dos clulas haploides produceuna clula diploide con dos copias de cada tipo de cromo-soma.

De acuerdo con la simbologa en uso en biologa, el nme-ro de tipos diferentes de cromosomas de una especie se deno-mina nmero haploide y se designa como n. En los sereshumanos n = 23 porque tenemos 23 tipos diferentes de cro-mosomas (autosomas 1 al 22 ms un cromosoma sexual). Lasclulas diploides contienen 2n cromosomas. As, cada clulahumana no reproductora tiene 46 (2 23) cromosomas.

Cada especie tiene un nmero caracterstico de cromoso-mas en sus clulas; pero el nmero difiere de manera signifi-cativa entre una especie y otra.

INTERFASE MITOSISenvolturanuclear cromatina

nucleolo

pares de centriolos

se inicia la formacin del huso

cinetocoro

polo

pololos cromosomas se condensan

microtbulos del huso

a) Interfase tarda Los cromosomas se han duplicado pero permanecen relajados. Tambin los centriolos se han duplicado y agrupado.

b) Profase temprana Los cromosomas se condensan y se acortan; los microtbulos del huso comienzan a formarse entre pares separados de centriolos.

c) Profase tarda El nucleolo desaparece; la envoltura nuclear se desintegra; y los microtbulos del huso se jan al cinetocoro de cada cromtida hermana.

d) Metafase Los cinetocoros interactan; los microtbulos del huso alinean los cromosomas en el ecuador de la clula.

FIGURA 11-10 Divisin celular mittica en una clula animal PREGUNTA: Cules seran las consecuencias si un conjunto de cromtidas hermanas no se separaradurante la anafase?

CMO SE REPRODUCEN LAS CLULAS POR DIVISIN CELULAR MITTICA? 199

n (nmero 2n (nmeroOrganismo haploide) diploide)

Ser humano 23 46Gorila, chimpanc 24 48Perro 39 78Gato 19 38Camarn 127 254Mosca de la fruta 4 8Chcharo 7 14Papa 24 48Batata 45 90

No todos los organismos son diploides. El moho del pan Neu-rospora, por ejemplo, tiene clulas haploides durante la ma-yor parte de su ciclo de vida. Por otro lado, algunas plantasposeen ms de dos copias de cada tipo de cromosoma, con 4n,6n

11.3 CMO SE REPRODUCEN LAS CLULASPOR DIVISIN CELULAR MITTICA?

Como vimos anteriormente, la divisin celular mittica (FI-GURA 11-10) consiste en mitosis (divisin nuclear) y citocine-sis (divisin citoplsmica). Despus de la interfase (figura11-10a), cuando se duplicaron los cromosomas de la clula yse realizaron todas las dems preparaciones necesarias parala divisin, puede ocurrir la divisin celular mittica. Estudia-remos por separado la mitosis y la citocinesis, aun cuando esposible que se traslapen en algn momento.

Por conveniencia dividiremos la mitosis en cuatro fases,tomando en cuenta el aspecto y el comportamiento de los cro-mosomas: 1. profase, 2. metafase, 3. anafase y 4. telofase

INTERFASE

bras del huso sueltas

extensin de cromosomas

reformacin de la envoltura nuclear

e) Anafase Las cromtidas hermanas se separan y se desplazan hacia polos opuestos de la clula; los microtbulos del huso separan los polos.

f ) Telofase Un conjunto de cromosomas llega a cada polo y se relaja en su estado desplegado; la envoltura nuclear empieza a formarse alrededor de cada conjunto; los microtbulos del huso comienzan a desaparecer.

g) Citocinesis La clula se divide en dos; cada clula hija recibe un ncleo y aproximadamente la mitad del citoplasma.

h) Interfase de las clulas hijas Los microtbulos del huso desaparecen, se forman envolturas nucleares intactas, los cromosomas terminan de desplegarse y el nucleolo aparece otra vez.

200 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

Durante la profase los cromosomas se condensan y los microtbulos del huso se forman y se unen a los cromosomas

La primera fase de la mitosis se llama profase (que significala etapa previa en griego). Durante la profase suceden tresacontecimientos principales: 1. se condensan los cromosomasduplicados, 2. se forman los microtbulos del huso y 3. el husocapta los cromosomas (figura 11-10b y c).

Recuerda que la duplicacin de los cromosomas se realizadurante la fase S de la interfase. Por lo tanto, al comenzar lamitosis cada cromosoma ya consta de dos cromtidas herma-nas unidas entre s por el centrmero. Durante la profase loscromosomas duplicados se enroscan y se condensan. Adems,desaparece el nucleolo, que es una estructura del interior delncleo donde se ensamblan los ribosomas.

Cuando se condensan los cromosomas duplicados, se co-mienzan a ensamblar los microtbulos del huso. En toda clu-la eucaritica los movimientos correctos de los cromosomasdurante la mitosis dependen de estos microtbulos del huso.En las clulas animales los microtbulos del huso se originanen una regin donde hay un par de centriolos que contienenmicrotbulos llamada centrosoma. Durante la interfase seforma un nuevo par de centriolos cerca del par ya existente.Durante la profase cada par de centriolos migra hacia ladosopuestos del ncleo. Cada par de centriolos acta como pun-to central desde el cual irradian los microtbulos del huso,tanto hacia adentro en la direccin del ncleo, como haciaafuera en la direccin de la membrana plasmtica. Estos pun-tos se conocen como los polos del huso. Aunque las clulas deplantas, hongos y muchas algas no contienen centriolos, en ladivisin celular mittica forman husos funcionales.

Conforme los microtbulos del huso adoptan la forma deuna canasta completa en torno al ncleo, la envoltura nuclearse desintegra y libera los cromosomas duplicados. En el cen-trmero cada cromtida hermana tiene una estructura forma-da de protenas llamada cinetocoro, que sirve como punto defijacin de los microtbulos del huso. En cada cromosoma du-plicado el cinetocoro de cada cromtida hermana se une a losextremos de los microtbulos del huso que se dirigen hacia unpolo de la clula; en tanto que el cinetocoro de la otra crom-tida hermana se une al microtbulo del huso y se dirige haciael polo opuesto de la clula (figura 11-10c). Cuando las cro-mtidas hermanas se separan en una etapa ms tarda de lamitosis, los cromosomas recin independizados avanzan a lolargo de los microtbulos del huso hacia polos opuestos. Al-gunos de los microtbulos del huso no se fijan en los cromo-somas; en cambio, tienen extremos libres que se traslapan a lolargo del ecuador de la clula. Como veremos, estos microt-bulos del huso sueltos se encargarn de separar los dos polosdel huso en una etapa posterior de la mitosis.

Durante la metafase los cromosomas se alinean a lo largo del ecuador de la clula

Al trmino de la profase, los dos cinetocoros de cada cromo-soma duplicado estn conectados a microtbulos del husoprovenientes de polos opuestos de la clula. En consecuencia,cada cromosoma duplicado est conectado a ambos polos delhuso. Durante la metafase (la etapa media), los dos cineto-

coros de un cromosoma duplicado participan en un juego detira y afloja. Durante este proceso el cinetocoro regula lalongitud de los microtbulos del huso. Los microtbulos sealargan y se acortan hasta que cada cromosoma duplicado se alinea correctamente a lo largo del ecuador de la clula,con un cinetocoro mirando hacia cada polo (figura 11-10d).

Durante la anafase las cromtidas hermanas se separan y son atradas hacia polos opuestos de la clula

Al comenzar la anafase (figura 11-10e), los cromosomas du-plicados con las cromtidas hermanas se separan y se vuelvencromosomas hijos no duplicados independientes. Tal separa-cin permite que los motores proteicos de los cinetocorostiren de los cromosomas hacia los polos, a lo largo de los mi-crotbulos del huso. Uno de los dos cromosomas hijos deriva-dos de cada cromosoma progenitor original se mueve haciacada uno de los polos de la clula. Mientras los cinetocorosremolcan sus cromosomas hacia los polos, los microtbulosdel huso sueltos interactan y se alargan con la finalidad deseparar los polos de la clula, obligando as a sta a adoptaruna forma ovalada (vase la figura 11-10e). Puesto que loscromosomas hijos son copias idnticas de los cromosomasprogenitores, los dos grupos de cromosomas que se forman enpolos opuestos de la clula contienen una copia de cada unode los cromosomas presentes en la clula original.

Durante la telofase la envoltura nuclear se forma alrededor de ambos grupos de cromosomas

Cuando los cromosomas alcanzan los polos, empieza la telofa-se (la etapa final) (figura 11-10f). Los microtbulos del husose desintegran y se forma una envoltura nuclear en torno a cada grupo de cromosomas. Los cromosomas regresan a suestado desplegado y aparecen nuevamente los nucleolos. Enla mayora de las clulas, la citocinesis se lleva a cabo duran-te la telofase, donde cada ncleo hijo se separa en una clulaindividual (figura 11-10g).

Durante la citocinesis el citoplasma se divide entre dos clulas hijas

En las clulas animales unos microfilamentos fijos en la mem-brana plasmtica forman un anillo en torno al ecuador de laclula. Durante la citocinesis este anillo se contrae y constri-e el ecuador de la clula, de forma anloga a lo que ocurrecuando uno tira del cordn de la cintura de unos pantalonesdeportivos. La cintura termina contrayndose totalmente yel citoplasma se divide en dos clulas hijas nuevas (FIGURA11-11).

En las clulas vegetales la citocinesis es muy diferente, qui-z porque la rgida pared celular impide dividir una clula endos comprimiendo la parte central. En cambio, del aparato deGolgi brotan vesculas llenas de carbohidratos que se alinean alo largo del ecuador de la clula entre los dos ncleos (FIGURA11-12). Estas vesculas se fusionan y producen una estructu-ra llamada placa celular, con forma de saco aplastado, rodea-da por una membrana plasmtica y llena de carbohidratos

CMO SE CONTROLA EL CICLO CELULAR? 201

b)a)

El anillo de microfilamentos se contrae y constrie la cintura de la clula.

La cintura se parte totalmente y se forman dos clulas hijas.

Los microfilamentos forman un anillo en torno al ecuador de la clula.

1 2 3

FIGURA 11-11 Citocinesis en una clula animala) Un anillo de microfilamentos situado inmediatamente debajo de la membrana plasmtica se contrae en tornoal ecuador de la clula y divide sta en dos. b) Con microscopio electrnico de barrido se observa que la citoci-nesis casi ha completado la separacin de las dos clulas hijas.

pared celular

aparato de Golgi

membrana plasmtica

vesculas llenas de carbohidratos

Las vesculas llenas de carbohidratos producidas por el aparato de Golgi se renen en el ecuador de la clula.

Las vesculas se fusionan para formar una nueva pared celular (rojo) y membranas plasmticas (amarillo) entre las clulas hijas.

Separacin total de las clulas hijas.

1 2 3

FIGURA 11-12 Citocinesis en una clula vegetal

glutinosos. Cuando se fusiona el nmero suficiente de vescu-las, los bordes de la placa celular se combinan con la membra-na plasmtica original que rodea la circunferencia de laclula. Los carbohidratos que estaban en las vesculas perma-necen entre las membranas plasmticas como parte de la pa-red celular.

Despus de la citocinesis, la clula eucaritica entra en lafase G1 de la interfase, con lo cual se completa el ciclo celular(figura 11-10h).

11.4 CMO SE CONTROLA EL CICLO CELULAR?

Como sabes, algunas clulas como las de la mucosa estoma-cal con frecuencia se dividen durante la vida de un organismo.Otras se dividen con ms o menos frecuencia, dependiendode diversas condiciones. Por ejemplo, las clulas del hgado y de la piel se estimulan para dividirse despus de cierto da-o, es decir, se reparan y se regeneran. Incluso en un adulto

En general la palabra clonacin nos trae a la mente imgenesde la oveja Dolly o hasta de la pelcula Star Wars: Attack of theClones; sin embargo, calladamente la naturaleza ha estado clo-nando desde hace cientos de millones de aos. Todos sabemoslo que es la clonacin: la creacin de uno o ms organismos in-dividuales (clones) que son genticamente idnticos al indivi-duo ya existente. Ya sea en la naturaleza o en laboratorio,cmo se producen los clones? Por qu la clonacin es un tematan polmico y candente en las noticias? Y por qu incluimosla clonacin en un captulo sobre divisin celular?

LA CLONACIN EN LA NATURALEZA: EL PAPEL DE LA DIVISIN CELULAR MITTICA

Contestemos primero la ltima pregunta. Como sabes hay dostipos de divisin celular: la mittica y la meitica. La reproduc-cin sexual se basa en la divisin celular meitica, la produccinde gametos y la fertilizacin y, por lo general, produce descen-dientes genticamente nicos; en cambio, la reproduccin ase-xual (vase la figura 11-1) se basa en la divisin celular mittica.Como esta ltima crea clulas hijas que son genticamenteidnticas a la clula progenitora, los descendientes producto dela reproduccin asexual son genticamente idnticos a sus pro-genitores (son clones).

CLONACIN DE PLANTAS: UNA APLICACIN COMN EN LA AGRICULTURA

Los seres humanos han participado en el asunto de la clonacinmucho antes de lo que podras imaginarte. Por ejemplo, consi-dera las naranjas Navel que no producen semillas. Sin stas,

cmo se reproducen? Los naranjos de este tipo se difundencortando una pieza del tallo de un naranjo Navel adulto e injer-tndolo en la parte superior de la raz de un naranjo que actacomo semillero, el cual por lo general es de un tipo diferente.(Y por qu no se toma uno igual?) Por lo tanto, las clulas delas partes que dan sus frutos arriba de la tierra de los rbolesque resultan son clones del tallo del naranjo Navel original.Aparentemente ste se origin a partir de un solo capullo mu-tante de un naranjo que se descubri en Brasil a principios delsiglo XIX y se propag asexualmente desde entonces. Luego, enla dcada de 1870, tres de esos rboles se llevaron desde Bra-sil hasta Riverside, California. (Uno de ellos an contina ah!).Todos los naranjos estadounidenses de este tipo son clones deaquellos tres rboles.

LA CLONACIN DE MAMFEROS ADULTOS

La clonacin de animales tampoco es un desarrollo reciente. Enla dcada de 1950 John Gurdon y sus colegas insertaron el n-cleo de un renacuajo en varios vulos, y algunas de las clulasresultantes se convirtieron en renacuajos completos. En la d-cada de 1990 varios laboratorios fueron capaces de clonar ma-mferos usando ncleos de embriones; pero no fue sino hasta1996 que el doctor Ian Wilmut del Instituto Roselin en Edimbur-go, Escocia, clon el primer mamfero adulto, la famosa Dolly(FIGURA E11-1).

Por qu es importante clonar un animal adulto? En agricul-tura vale la pena clonar nicamente adultos porque slo en stos es posible distinguir las caractersticas que se desea pro-pagar (como la alta produccin de leche y de carne en las va-

Copias al carbn, la clonacin en la naturaleza y en el laboratorioINVESTIGACIN CIENTFICA

oveja Finn Dorset

Clulas de la ubre de una oveja Finn Dorset se cultivan en un medio con bajos niveles de nutrimentos.Las clulas sin nutrimentos dejan de dividirse.

oveja carinegra

Mientras tanto se extrae por succin el ncleo de un vulo no fecundado tomado de una oveja carinegra escocesa. Este vulo suministrar citoplasma y organelos, aunque no cromosomas.

impulsoelctrico

clulasfusionadas

El vulo sin ncleo y la clula de ubre inactiva se colocan uno al lado de la otra en una caja de cultivo. Un impulso elctrico estimula la fusin de las clulas e inicia la divisin celular mittica.

se extrae el ncleovulo

DNA

clula donadora de la ubre

1

2

3

FIGURA E11-1 La creacin de Dolly

cas, o la rapidez y resistencia en un caballo). La clonacin de un adulto producira descendientes genticamente idnticosal adulto. Entonces, los rasgos valiosos del adulto que se deter-minen genticamente tambin los tendran todos sus clones.Por lo general, la clonacin de embriones no sera til, ya quelas clulas embrionarias se habran originado mediante repro-duccin sexual ante todo, y normalmente nadie podra afirmarque el embrin tendr alguno de los rasgos deseables.

En ciertas aplicaciones mdicas, adems, la clonacin deadultos es fundamental. Supn que mediante la ingeniera ge-ntica (vase el captulo 13) una compaa farmacutica produ-ce una vaca que secreta una molcula valiosa, como unantibitico, en su leche. Dichas tcnicas son sumamente caras ypueden tener xito o fracasar, de manera que la compaa po-dra crear exitosamente slo una vaca redituable. Una vaca comosta podra ser clonada y crear as un ganado vacuno completoque produzca el antibitico. Las vacas clonadas que producenms leche o ms carne, as como los cerdos diseados para serdonadores de rganos para seres humanos, ya son una reali-dad.

La clonacin tambin podra ayudar a rescatar especies se-riamente amenazadas por la extincin, muchas de las cuales nose reproducen en los zoolgicos. Como seal Richard Adamsde la Universidad de Texas A&M: Usted podra volver a poblarel mundo [con las especies amenazadas] en cuestin de un parde aos. La clonacin no es una bsqueda trivial.

LA CLONACIN: UNA TECNOLOGA IMPERFECTA

Por desgracia la clonacin de mamferos es poco eficaz y estllena de dificultades. Un vulo experimenta un trauma severocuando su ncleo se succiona o se destruye, y se le inserta unncleo nuevo (vase la figura E11-1). Con frecuencia el vulosimplemente muere. Las molculas en el citoplasma que sonnecesarias para controlar el desarrollo pueden perderse o mo-verse a los lugares incorrectos, de manera que incluso si el vu-lo sobrevive y se divide, quiz no se desarrolle adecuadamente.Si los vulos se convierten en embriones viables, stos luego

deben implantarse en el tero de una madre sustituta. Durantela gestacin muchos clones mueren o son abortados, a menu-do con consecuencias severas o aun mortales para la madresustituta. Incluso si el clon sobrevive a la gestacin y nace, po-dra tener defectos: muchas veces con el corazn, los pulmoneso la cabeza deformes. Considerando la alta tasa de fracasos crear a Dolly requiri 277 intentos, la clonacin de mamfe-ros es un proceso costoso.

Para hacer las cosas todava ms difciles, es posible que losclones exitosos tengan defectos ocultos. Por ejemplo, Dollytena cromosomas de mediana edad. Recuerdas los telme-ros en los extremos de los cromosomas? En cada divisin celu-lar mittica, los telmeros quedan un poco ms cortos, y pareceque las clulas pueden morir (o al menos no dividirse ms)cuando sus telmeros son demasiado cortos. Dolly naci contelmeros cortos, como si tuviera ya ms de tres aos de edad.Por otro lado, no todos los mamferos clonados poseen telme-ros cortos; las tcnicas de clonacin adecuadas, junto con el te-jido adulto ptimo (las clulas de la piel parecen ser mejoresque las de las glndulas mamarias, de las cuales se clon Dolly),podran eliminar los problemas de los telmeros recortados. Noobstante, Dolly parece tener adems otras dificultades: desa-rroll artritis cuando tena cinco aos y medio de edad, y se sa-crific por piedad tras padecer una severa enfermedadpulmonar un ao despus. Los problemas se le presentaron auna edad relativamente temprana (la vida promedio de un cor-dero es de 11 a 16 aos), aunque nadie sabe si dichos trastornosde la salud ocurrieron porque fue clonada.

EL FUTURO DE LA CLONACIN

Una nueva tecnologa denominada transferencia de cromatinaparece reducir la probabilidad de crear clones defectuosos. Mu-chos investigadores creen que el DNA de las clulas viejasest en una etapa qumica diferente de la del DNA de un vu-lo recin fertilizado. Aunque insertar un ncleo viejo en un vuloal que se le quit el ncleo ayuda a rejuvenecer el DNA, nosiempre ocurre as. En la transferencia de cromatina, las mem-branas de las clulas donadoras quedan agujereadas. Luego

La clula se divide y forma un embrin que consiste en una esfera hueca de clulas.

La oveja carinegra da a luz a Dolly, una corderita Finn Dorset que es gemela gentica de la oveja Finn Dorset.

Despus la esfera se implanta en el tero de otra oveja carinegra.

4 5 6

las clulas permeables se incuban con un extracto mitticoderivado de la rpida divisin y, por consiguiente, de clulas j-venes. Esto remodela el DNA de las clulas ms viejas y haceque se condense, al igual que ocurre con el DNA durante laprofase de la divisin celular mittica. As, la clula rejuvenecidase fusiona con un vulo sin ncleo, como sucede con procedi-mientos de clonacin tradicionales. Una compaa ingeniosa-mente llamada Genetic Savings and Clone, la cual clon alprimer gato (CC; FIGURA E11-2a) usando mtodos convencio-nales ahora utiliza transferencia de cromatina, con una tasa dexitos mucho mayor, para clonar mascotas felinas (FIGURAE11-2b). (En 2005 el precio de clonar tu gato se redujo a la ba-gatela de $32,000 dlares!)

En la actualidad la tecnologa de clonacin moderna ha clo-nado con xito vacas, gatos, corderos, caballos y muchos otrosmamferos. Conforme el proceso se vuelve ms rutinario, sur-

gen tambin dilemas ticos. Mientras que slo unos cuantosprotestaron por la clonacin de naranjas Navel, y otros ms re-chazaron los antibiticos y otros frmacos provenientes de ga-nado clonado, hay quienes creen que clonar mascotas es unafrivolidad muy costosa, sobre todo si se toma en cuenta que enEstados Unidos cada nueve segundos se sacrifica un perro o ungato no deseado. Y qu hay de la clonacin humana? A prin-cipios de 2003 haba alegatos de que nacieron dos nios clona-dos (aunque esto nunca se confirm). Suponiendo que existe latecnologa para clonar seres humanos, sera una buena idea?Qu sucede con la clonacin teraputica, con la cual el DNAde una persona podra utilizarse para crear un embrin clona-do, cuyas clulas jvenes e indiferenciadas serviran para trataruna enfermedad del donador o para regenerar un rgano, sintemor de que haya rechazo del trasplante? Qu piensas?

a) CC cuando era un gatito en 2001 b) El Pequeo Nicky, el gatito de $50,000 dlares en 2004

FIGURA E11-2 Gatos clonadosa) En 2001 se emple tecnologa estndar para crear a CC, el primer gato clonado. Fue el nico nacimientoexitoso de 87 embriones clonados. b) El primer gato clonado por pedido de un cliente fue el Pequeo Nicky;se utiliz la tcnica de transferencia de cromatina, la cual tiene una tasa de xitos mucho ms alta.

otras clulas nunca se dividen, como en el caso de las cerebra-les, las de los msculos cardiaco y esqueltico. La divisin ce-lular est regulada por un arreglo desconcertante demolculas, de los cuales no todos se han identificado o estu-diado. No obstante, varios principios generales son comunespara la mayora de las clulas eucariticas.

Los puntos de control regulan el progreso durante el ciclo celular

En el ciclo celular eucaritico hay tres puntos de control prin-cipales (FIGURA 11-13). En cada uno, complejos proteicos enla clula determinan si sta complet de manera exitosa unafase especfica del ciclo y regulan la actividad de otras prote-nas que llevan a la clula a la siguiente fase:

G1 a S: El DNA de la clula es adecuado para la duplica-cin?

G2 a mitosis: El DNA se duplic completa y exactamente? Metafase a anafase: Los cromosomas estn alineados co-

rrectamente en la placa de la metafase?

La actividad de enzimas especficas impulsa el ciclo celular

El ciclo celular est controlado por una familia de protenasllamada quinasas dependientes de ciclina o Cdks por las si-glas de cyclin-dependent kinases. Dichas protenas toman sunombre de dos caractersticas: La primera es que una quinasaes una enzima que fosforila (agrega un grupo fosfato a) otrasprotenas, estimulando o inhibiendo as la actividad de la pro-tena meta.Y la segunda es que stas son dependientes de ci-clinas porque estn activas slo cuando se enlazan con otrasprotenas llamadas ciclinas, cuyo nombre indica mucho acer-ca de tales protenas: sus mltiples cambios durante el ciclocelular que, de hecho, ayudan a regular el ciclo celular.

CMO SE CONTROLA EL CICLO CELULAR? 205

FIGURA 11-13 Control del ciclo celularLos tres principales puntos de control regulan latransicin de una clula de una fase a la siguientedurante el ciclo celular: 1. G1 a S, 2. G2 a mitosis(M) y 3. metafase a anafase.

El control del ciclo celular normal funciona como se indi-ca en la FIGURA 11-14. En la mayora de los casos, una clulase dividir nicamente si recibe seales de molculas del tipode hormonas conocidas como factores de crecimiento. Porejemplo, si te cortas en la piel, plaquetas (fragmentos de clu-la en la sangre que intervienen en la coagulacin) se acumu-lan en el sitio de la herida y liberan los factores decrecimiento, incluyendo el correctamente llamado factor de crecimiento derivado de la plaqueta y el factor de creci-miento epidrmico. Estos factores de crecimiento se unen areceptores en la superficie de las clulas profundas de la piel,activando as una cascada de interacciones moleculares, en lascuales la actividad de una molcula estimula la actividad de la

siguiente, una y otra vez, y termina al final enuna progresin durante el ciclo celular. Cuan-do una clula de la piel en la fase G1 se estimulamediante tales factores de crecimiento, sintetizaprotenas ciclinas que se unen a Cdks espec-ficas y las activan. Despus estas Cdks estimu-lan la sntesis y la actividad de las protenasque se requieren para que ocurra la sntesis deDNA. De esta manera la clula entra a la faseS y duplica su DNA. Luego de que se comple-ta la duplicacin de DNA se activan otras Cdksy se producen condensacin de cromosomas,desintegracin de la envoltura nuclear, forma-cin del huso y unin de los cromosomas a los

microtbulos del huso. Por ltimo, incluso otras Cdks estimu-lan el proceso que permite a las cromtidas hermanas sepa-rarse en cromosomas individuales y moverse hacia polosopuestos de la clula durante la anafase.

Mecanismos de regulacin sobre los puntos de control

Muchas cuestiones pueden salir mal durante el ciclo celular.Por ejemplo, quizs el DNA sufra mutaciones o tal vez la c-lula no haya acumulado los nutrimentos suficientes. Por lotanto, hay una variedad de mecanismos que regulan el movi-miento a travs de los puntos de control.

Punto de control de G1 a S

Debido a su importancia en la prevencin del cncer, exami-naremos el punto de control de G1 a S con detenimiento (FIGURA 11-15). Una de las protenas que est regulada me-diante fosforilacin por Cdks-ciclinas se denomina Rb (quesignifica retinoblastoma porque protenas Rb defectuosas

provocan cncer de la retina) e inhibe latrascripcin de varios genes cuyos pro-ductos proteicos son necesarios para lasntesis de DNA. La fosforilacin de Rbpor parte Cdks-ciclinas reduce esta inhi-

STOP

STOP

STOP

profasemetafase

anafase

G2

S

G1

G1 S: Est intacto tu DNA?

G2 M:

Completaste la duplicacin de DNA?

metafase anafase: Todos tus cromosomas estn alineados en el ecuador?

divisin

celular

mittica

interfase

citocinesisy

telofase

factor de

crecimiento

quinasadependientede ciclina

receptordel factorde crecimiento

ciclina

(membranaplasmtica)

(citoplasma)

El factor decrecimiento se une con un receptor y estimula la sntesis de ciclinas.

Las Cdks siempreestn presentesen la clula.

La ciclina activala Cdks y luegosta estimula la duplicacin de DNA.

FIGURA 11-14 El punto de control de G1 a SEl progreso en los puntos de control del ciclocelular est bajo control de ciclinas y quinasadependiente de ciclina (Cdks). En el puntode control de G1 a S que se ilustra aqu, losfactores de crecimiento estimulan la sntesisde las protenas ciclinas, las cuales activan alas Cdks originando una cascada de sucesosque llevan a la duplicacin de DNA.

206 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

factores de crecimiento

receptor

sntesis de ciclina

Cdk

factores de crecimiento

receptor

sntesis de ciclina

Cdk

Rbfosforilada

G1 S normal:

PRb

duplicacinde DNA

DNA daado

p53

se impide la fosforilacin de la Rb

no hay duplicacin de DNA

DNA daado impide G1 S:

a) b)

FIGURA 11-15 Control de la transicin de G1 a SLa protena Rb inhibe la sntesis de DNA. Al final de la fase G1

aumentan los niveles de ciclinas, los cuales activan la Cdks que, ala vez, agrega un grupo fosfato a la protena Rb. Por lo que la Rbfosforilada no inhibe ms la sntesis de DNA y la clula entra a lafase S. b)

bicin y permite que contine la duplicacin de DNA (figu-ra 11-15a).

Otra protena, llamada p53 (lo cual simplemente significauna protena con peso molecular de 53,000), regula indirec-tamente la actividad de la Rb (figura 11-15b). En las clulas sa-ludables hay pocas protenas p53. No obstante, cuando se daael DNA (por ejemplo, por la luz ultravioleta de los rayos sola-res), aumentan los niveles de la p53. Despus la protena p53estimula la expresin de protenas que inhiben las Cdks-cicli-nas. Cuando stas se inhiben, la Rb no se fosforila, de maneraque se interrumpe la sntesis de DNA. La p53 tambin estimu-la la sntesis de enzimas reparadoras de DNA. Despus de quese repara el DNA, disminuyen los niveles de p53, se activan lasCdks-ciclinas, se fosforila la Rb y la clula entra a la fase S. Sino es posible reparar el DNA, la p53 ocasiona una forma es-pecial de muerte celular llamada apoptosis, en la cual la clulacorta su DNA en fragmentos y efectivamente se suicida.

Recuerdas el toro de msculos enormes del captulo 9?Al igual que la p53, la miostatina estimula una cadena de in-teracciones proteicas que bloquean la fosforilacin de la Rb,impidiendo as la duplicacin del DNA y la divisin celular.La miostatina defectuosa provoca una activacin excesiva deRb, por lo que las clulas premusculares se dividen ms de loque haran normalmente y producen ganado con msculosprominentes.

Punto de control de G2 a mitosis

La protena p53 tambin interviene en el control del avancede G2 a la mitosis. Los crecientes niveles de p53 causados porDNA defectuoso (por ejemplo, pares base mal ajustados como

resultado de una duplicacin incorrecta) reducen la sntesis yla actividad de una enzima que ayuda a provocar la conden-sacin de cromosomas. De esta manera los cromosomas per-manecen extendidos y estn accesibles para las enzimasreparadoras de DNA; en tanto que la clula espera para en-trar a la mitosis hasta que se haya fijado el DNA.

Punto de control de la metafase a la anafase

Aunque los mecanismos no sean totalmente comprensibles,una clula tambin vigila tanto la unin de los cromosomas alhuso, como el hecho de que si durante la metafase los cromo-somas estn alineados en el ecuador. Incluso si un slo cro-mosoma no se une al huso, o si los microtbulos del huso queunen un cromosoma a los polos opuestos de la clula no jalancon la misma fuerza (lo cual quiz significa que el cromosomano est en el ecuador), una variedad de protenas impide laseparacin de las cromtidas hermanas y, por ende, interrum-pen el avance hacia la anafase.

Entonces, la estimulacin del factor de crecimiento asegu-ra que una clula se divida slo cuando debe hacerlo. Los di-versos puntos de control garantizan que la clula completecon xito la sntesis de DNA durante la interfase, y que ocu-rran los movimientos adecuados de cromosomas durante ladivisin celular mittica. Desde luego a veces el ciclo celularno transcurre de manera apropiada. Los defectos en la esti-mulacin por parte de los factores de crecimiento o en el fun-cionamiento de los puntos de control haran que la clula sedividiera sin control y se formara un cncer. Veremos los me-canismos que alteran el control del ciclo celular en la seccinGuardin de la salud: Cncer, divisin celular mittica des-controlada.

11.5 POR QU TANTOS ORGANISMOS SEREPRODUCEN SEXUALMENTE?

El organismo ms grande que se ha descubierto en el planetaes un hongo, cuyos filamentos subterrneos ramificados cu-bren 890 hectreas en la parte oriental del estado de Oregon.Este organismo se form casi en su totalidad por divisin ce-lular mittica. Es evidente que la reproduccin asexual pordivisin celular mittica funciona muy bien! Por qu, enton-ces, casi todas las formas de vida conocidas, incluso los hon-gos, han llegado por evolucin a formas de reproduccinsexual? La mitosis produce nicamente clones, es decir, des-cendientes genticamente idnticos. En cambio, la reproduc-cin sexual permite redistribuir los genes entre los individuospara generar descendientes genticamente nicos. La presen-cia casi universal de la reproduccin sexual es prueba de laenorme ventaja evolutiva que el intercambio de DNA entreindividuos confiere a las especies.

Las mutaciones de DNA son la fuente ltima de la variabilidad gentica

CMO LA DIVISIN CELULAR MEITICA PRODUCE CLULAS HAPLOIDES? 207

DNA que surgieron originalmente como mutaciones. Las mu-taciones se transmiten a la descendencia y se integran a la es-tructura gentica de cada especie. Estas mutaciones formanalelos, que son formas distintas de un gen determinado queconfieren variabilidad en la estructura o funcin de los indivi-duos, como, por ejemplo, cabello negro, castao o rubio en elcaso de los seres humanos, o diferentes llamadas de aparea-miento en las ranas. Como vimos, la mayora de los organis-mos eucariticos que actualmente existen son diploides, esdecir, contienen pares de cromosomas homlogos. Los cro-mosomas homlogos tienen los mismos genes; pero cada homlogo puede tener los mismos alelos de algunos genes ydiferentes alelos de otros genes (FIGURA 11-16).

cuando observa que ste se acerca. Tanto los animales camu-flados que constantemente saltan de un lado a otro, como losanimales de colores brillantes que permanecen quietos cuan-do aparece un depredador probablemente terminen siendo elalmuerzo de ste. Supongamos que una ave que anida en tie-rra tiene un color de camuflaje mejor que el promedio; entanto que otra ave de la misma especie tiene un comporta-miento de congelamiento ms eficaz. Al combinar ambasmediante la reproduccin sexual producira descendencia quesera capaz de evitar a los depredadores mejor que sus proge-nitores. La combinacin de caractersticas tiles genticamen-te determinadas es una razn de que la reproduccin sexualest presenta casi en toda la naturaleza.

De qu manera la reproduccin sexual combina los ras-gos de dos progenitores en un solo descendiente? Las prime-ras clulas eucariticas que aparecieron hace mil o milquinientos millones de aos eran probablemente haploides,con una sola copia de cada cromosoma. Relativamente pron-to se dieron dos acontecimientos evolutivos en los organis-mos eucariticos unicelulares, que permitieron a stosredistribuir y recombinar la informacin gentica. En primerlugar, se fusionaron dos clulas haploides (progenitoras) enuna clula diploide con dos copias de cada cromosoma. Estaclula pudo reproducirse por divisin celular mittica paraproducir clulas hijas diploides. En segundo lugar, esta pobla-cin de clulas diploides desarroll una variante del procesode divisin celular llamada divisin celular meitica, la cualproduce clulas haploides, cada una con una sola copia de ca-da cromosoma. En los animales tales clulas haploides, por logeneral, se convierten en gametos. Un espermatozoide ha-ploide de un animal A podra contener los alelos que contri-buyen con la coloracin de camuflaje; mientras que un vulohaploide del animal B tendra alelos que favorecieran la in-movilidad cuando se aproxima un depredador. Una combina-cin de estos gametos producira un animal con coloracin decamuflaje que tambin se quedara inmvil con facilidad antela presencia de un depredador.

11.6 CMO LA DIVISIN CELULAR MEITICAPRODUCE CLULAS HAPLOIDES?

La meiosis separa los cromosomas homlogos y produce ncleos hijos haploidesLa clave de la reproduccin sexual de las clulas eucariticases la meiosis, que es la produccin de ncleos haploides concromosomas no apareados, a partir de ncleos progenitoresdiploides con cromosomas apareados. En la divisin celularmeitica (meiosis seguida de citocinesis), cada clula hija re-cibe un miembro de cada par de cromosomas homlogos. Porlo tanto, la meiosis (disminuir en griego) reduce a la mitad elnmero de cromosomas en una clula diploide. Por ejemplo,cada clula diploide de nuestro organismo contiene 23 paresde cromosomas; la divisin celular meitica produce espermato-zoides u vulos con 23 cromosomas, uno de cada tipo.

Puesto que la meiosis evolucion a partir de la mitosis, mu-chas de las estructuras y de los eventos de la meiosis son simi-lares o idnticos a los de la mitosis. Sin embargo, la divisincelular meitica difiere de la mittica en un aspecto muy im-portante: durante la meiosis, la clula experimenta un ciclo deduplicacin de DNA seguido de dos divisiones nucleares. Un

gen 1 gen 2

mismos alelos alelos diferentes

FIGURA 11-16 Cromosomas homlogos pueden tener los alelosiguales (izquierda) o diferentes (derecha) de genes individuales

Examinaremos las consecuencias de tener genes aparea-dos y ms de un alelo por cada gen en el siguiente cap-tulo.

La reproduccin sexual puede combinar diferentesalelos progenitores en un solo descendiente

ciclo de duplicacin de DNA produce dos cromtidas en ca-da cromosoma duplicado. Puesto que las clulas diploides tie-nen pares de cromosomas homlogos con dos cromtidaspor cada homlogo, un solo ciclo de duplicacin de DNAcrea cuatro cromtidas para cada tipo de cromosoma (FIGU-RA 11-17).

La primera divisin de la meiosis (llamada meiosis I) sepa-ra los pares de cromosomas homlogos y enva uno de cadapar a cada uno de los dos ncleos hijos, produciendo as dosncleos haploides. No obstante, cada cromosoma homlogoan tiene dos cromtidas (FIGURA 11-18).

La divisin celular mittica es esencial para el desarrollo de losorganismos multicelulares a partir de vulos fertilizados, as comopara el mantenimiento de rutina de partes del cuerpo como lapiel y la mucosa del tracto digestivo. Por desgracia, la divisin ce-lular no controlada representa una amenaza para la vida: el cn-cer. Cmo es que los cnceres escapan del proceso complejoque por lo general regula el ciclo celular? Existen muchos meca-nismos, pero casi todos tienen dos caractersticas comunes: 1. mutaciones en el DNA que llevan a 2. oncogenes hiperactivoso genes supresores de tumores inactivos (FIGURA E11-3).

ONCOGENES

El trmino oncogn literalmente significa gen que provocacncer. Cmo puede un gen provocar cncer? Cualquier gencuya actividad tienda a promover la divisin celular mittica, ascomo la produccin de los receptores para los factores de cre-cimiento y algunas ciclinas y quinasas dependientes de ciclina,se denomina protooncogn. Por s mismos, protooncogenesson inofensivos y, de hecho, son esenciales para tener una divi-sin celular adecuadamente controlada. No obstante, una mu-tacin podra convertir un protooncogn en un oncogn. Losreceptores mutantes para los factores de crecimiento, por ejem-plo, podran encenderse todo el tiempo, independientemen-te de la presencia o la ausencia de un factor de crecimiento(vase la figura E11-3a). Ciertas mutaciones en los genes de lasciclinas provocan que stas se sinteticen a una rapidez elevada,sin importar la actividad del factor de crecimiento. En cualquiercaso una clula puede saltarse algunos de los puntos de con-trol que, por lo general, estn regulados por las concentracio-nes de ciclinas fluctuantes.

GENES SUPRESORES DE TUMORES

Aunque no los llamamos por ese nombre, ya hemos estudiadodos genes supresores de tumores: el gen que produce la pro-tena Rb y el de la protena p53 (vase la seccin 11.4). Recuer-da que la Rb inhibe la sntesis de protenas que se requiere para

la duplicacin de DNA, a menos que la protena Rb se fosforilemediante quinasa dependiente de ciclina (Cdks-ciclinas). Nor-malmente el DNA daado incrementa los niveles de p53, loscuales de manera indirecta inhiben la actividad de la Cdks-ci-clinas, por lo que la protena Rb no puede fosforilarse. El resul-tado es que la clula no duplica el DNA defectuoso. Muchoscancergenos mutan los genes p53 y el gen para la protena Rb,de manera que las protenas no pueden realizar su funcin (fi-gura E11-3b). El gen para la protena p53 mutado es inactivo y,por ende, las Cdks-ciclinas son hiperactivas, fosforilando as ala Rb y permitiendo la duplicacin de DNA. El gen para la pro-tena Rb mutado imita el Rb fosforilado, lo cual permite ademsla sntesis de DNA no regulada. Con cualquier mutacin la du-plicacin contina, ya sea que se haya daado o no el DNA. Encambio, incluso si el DNA permanece intacto, la clula se saltael punto de control de G1 a S y puede dividirse, con mayor fre-cuencia, de lo que debera. No sorprende entonces que cercade la mitad de los cnceres incluyendo los tumores en seno,pulmn, cerebro, pncreas, vejiga, estmago y colon tenganmutaciones en el gen para la protena p53. Muchos otros, inclu-yendo tumores de ojo (retinoblastoma), pulmn, seno y vejiga,tienen el gen para la protena Rb mutado.

DE LA CLULA MUTADA AL CNCER

En la mayora de los casos, las enzimas reparadoras de DNA fi-jan rpidamente una mutacin en la clula. Si se requiere un po-co ms de tiempo, la actividad del gen para la protena p53bloquea la transicin de G1 a S o de G2 a la mitosis, hasta quese fija el DNA. Si la mutacin es extensa (como una transloca-cin o una inversin) o no puede fijarse, entonces por lo gene-ral la actividad del gen para la protena p53 es alta yprolongada hace que la clula se mate a s misma por apopto-sis. Sin embargo, qu sucede si el gen para la protena p53tambin se muta? Ello condena a un ser humano a padecer uncncer maligno? No necesariamente. Muchas mutaciones pro-vocan que la superficie de una clula parezca diferente de las

Cncer, divisin celular mittica descontroladaGUARDIN DE LA SALUD

cromtidas hermanas

cromosomas homlogos

FIGURA 11-17 Ambos miembros de un par de cromosomas ho-mlogos se duplican antes de la meiosis

FIGURA 11-18 Durante la meiosis I cada clula hija recibe unmiembro de cada par de cromosomas homlogos

Una segunda divisin (llamada meiosis II) separa las cro-mtidas de cada cromosoma homlogo y divide una cromti-da en cada uno de los dos ncleos hijos. Por lo tanto, al finalde la meiosis hay cuatro ncleos haploides hijos, cada uno conuna copia de cada cromosoma homlogo. Como cada ncleo

por lo general est dentro de una clula diferente, la divisincelular meitica normalmente produce cuatro clulas haploi-des a partir de una sola clula progenitora diploide (FIGURA11-19). Estudiaremos las etapas de la meiosis con mayor de-talle en los siguientes apartados.

clulas del sistema inmunitario, el cual despus mata la clulamutada. No obstante, en ocasiones una clula renegada sobre-vive y se reproduce. Como la divisin celular mittica transmitefielmente la informacin gentica de una clula a otra, todas lasclulas hijas de la clula cancerosa original se volvern cance-rosas.

Por qu la ciencia mdica, que ha vencido la viruela, el sa-rampin y muchas enfermedades ms, enfrenta tantas dificulta-des para curar el cncer? Tanto las clulas cancerosas como las

normales utilizan el mismo mecanismo para la divisin celular,por lo que los tratamientos que retrasan la multiplicacin de c-lulas cancerosas tambin inhiben el mantenimiento adecuadode partes esenciales del cuerpo, como el estmago, los intesti-nos y los glbulos. Los tratamientos verdaderamente eficaces yselectivos para el cncer deben enfocarse slo en las divisincelular de las clulas cancerosas. Aunque se han logrado avancesen la lucha contra el cncer an falta mucho por hacer.

factores de crecimiento

receptor

sntesis de ciclinas Cdks

fosforilacin de laRb

Control G1 aS normal:

a) Acciones de los oncogenes

PRb

duplicacin de DNA

factores de crecimiento

receptor mutado siempre

encendido

sntesis de ciclinas Cdks

fosforilacin deRb

Gen para el receptor del factor de

crecimiento mutado:

PRb

duplicacin de DNA no controlada

duplicacin de DNA no controlada

factores de crecimiento

receptor

sntesis de ciclinas siempre

encendida

Cdks

fosforilacin deRb

Gen de ciclina mutado:

PRb

factores de crecimiento

receptor

sntesis de ciclinas

Cdks

Gen para la protena Rb mutado:

Gen para la protena p53 mutado:

(b) Acciones de genes supresores de tumor mutados

Rb*

duplicacin de DNA no controlada

la mutacin de Rb no requiere fosforilacin

sntesis de ciclinas

Cdks

fosforilacin deRb

PRb

duplicacin de DNA daado

factores de crecimiento

receptor

DNA daado

El gen para la protena p53 mutado no

puede impedir la fosforilacin de Rb

FIGURA E11-3 Acciones de los oncogenes y de los genes supresores de tumores

FIGURA 11-19 Durante la meiosis II cromtidas hermanas se se-paran en cromosomas independientes. Cada clula hija recibe unode estos cromosomas no duplicados independientes.

La divisin celular meitica seguida por la fusin de gametos mantiene constante el nmero de cromosomas de una generacin a otra

Por qu la divisin celular meitica es tan importante para lareproduccin sexual? Considera lo que sucedera si los game-tos fueran diploides, como el resto de las clulas del organis-mo progenitor, con dos copias de cada cromosoma homlogo.La fertilizacin producira una clula con cuatro copias de cada homlogo, dndole al descendiente dos veces tantos cro-mosomas como sus progenitores. Despus de unas cuantas generaciones, las clulas del descendiente tendran un canti-dad enorme de DNA. Por otro lado, cuando un espermatozoi-de haploide se fusiona con un vulo haploide, el organismoresultante es diploide, al igual que sus progenitores (FIGURA11-20).

La meiosis I separa los cromosomas homlogos endos ncleos haploides hijos

Las fases de la meiosis reciben los mismos nombres que las fa-ses aproximadamente equivalentes de la mitosis, seguidas deun I o un II para distinguir las dos divisiones nucleares que se

210 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

MEIOSIS I

a) Profase I. Los cromosomas duplicados se condensan. Los cromosomas homlogos se aparean (formando ttradas), se forman quiasmas para intercambiar segmentos de DNA (informacin gentica) entre las cromtidas de los cromosomas homlogos. La envoltura nuclear se desintegra y se forman los microtbulos del huso.

b) Metafase I. Los cromosomas homlogos apareados (ttradas) se alinean a lo largo del ecuador de la clula. Un homlogo de cada par mira hacia cada uno de los polos de la clula y se ja a los microtbulos del huso por su cinetocoro (azul).

c) Anafase I. Loscromosomas homlogos se separan y un miembro de cada par se dirige hacia cada uno de los polos de la clula. Las cromtidas hermanas no se separan.

d) Telofase I. Desaparecen los microtbulos del huso. Se formaron dos conjuntos de cromosomas, cada uno contiene un miembro de cada par de homlogos. Por lo tanto, los ncleos hijos son haploides. por lo comn, la citocinesis ocurre en esta etapa. Hay poca o ninguna interfase entre la meiosis I y la meiosis II.

Los cromosomas homlogos se aparean (forman ttradas) y se entrecruzan.

Los cromosomas homlogos se alinean en pares (formando las ttradas).

Los cromosomas homlogos se desplazan hacia polos opuestos.

cromosomas homlogos apareados (cromosomas bivalentes o ttradas)

cromosomas recombinados

microtbulo del husoquiasma

FIGURA 11-21 Divisin celular meitica en una clula animalEn la divisin celular meitica (meiosis y citocinesis), los cromosomas homlogos de una clula diploide se sepa-ran y producen cuatro clulas haploides hijas. Cada clula hija contiene un miembro de cada par de cromosomashomlogos de la clula progenitora. En estos diagramas se muestran dos pares de cromosomas homlogos (dosttradas), uno grande y uno pequeo. Los cromosomas amarillos provienen de un progenitor (por ejemplo, el pa-dre) y los cromosomas morados son del otro progenitor (por ejemplo, la madre). PREGUNTA: Cules seran lasconsecuencias (para los gametos resultantes), si un par de homlogos no pudiera separarse en la anafase I?

llevan a cabo en la meiosis (FIGURA 11-21). En las siguientesdescripciones, supondremos que las divisiones nucleares vanacompaadas de citocinesis. La meiosis inicia con la duplica-cin del cromosoma.Al igual que en la mitosis, las cromtidashermanas de cada cromosoma permanecen unidas entre spor el centrmero.

Durante la profase I, los cromosomas homlogos se aparean e intercambian DNA

Durante la mitosis, los cromosomas homlogos se mueven demanera totalmente independiente entre s. En cambio, duran-te la profase I de la meiosis los cromosomas homlogos se ali-nean uno al lado del otro formando lo que se conoce como uncromosoma bivalente o ttrada e intercambian segmentos de DNA (figura 11-21a y FIGURA 11-22a). Llamaremos a uno delos homlogos cromosoma materno, y al otro cromosomapaterno, ya que uno fue heredado originalmente de la madredel organismo, y el otro del padre del mismo. Durante la pro-fase I algunas protenas enlazan los homlogos materno y pa-terno, de tal manera que coincidan exactamente a todo lolargo, de forma parecida a como se cierra una cremallera (FI-GURA 11-22b). Adems, se ensamblan unos complejos enzi-mticos en varios puntos a lo largo de los cromosomasapareados (ttradas) (FIGURA 11-22c). Las enzimas se abrencamino a travs de los esqueletos de DNA de los cromosomasy unen de nuevo los extremos cortados del DNA. Por lo regu-lar, se une el DNA materno con el DNA paterno, y viceversa.

divisincelular meitica

fecundacin

clulasparentales diploides

vulodiploidefecundado

gametoshaploides

2n

2n

2n n

n

FIGURA 11-20 La divisin celular meitica es esencial para la re-produccin sexual

CMO LA DIVISIN CELULAR MEITICA PRODUCE CLULAS HAPLOIDES? 211

Dicha unin forma cruces, o quiasmas, donde los cromosomasmaterno y paterno se entrelazan (FIGURA 11-22d). Por lo ge-neral, en las clulas humanas cada par de homlogos formade dos a tres quiasmas en la profase I. Finalmente, los comple-jos enzimticos se desprenden de los cromosomas y desapare-cen las cremalleras de protena que mantenan los homlogosunidos de manera estrecha. Sin embargo, los homlogos per-manecen unidos por medio de los quiasmas (FIGURA 11-22e).

Este intercambio de DNA entre los cromosomas maternoy paterno en los quiasmas es un proceso que se conoce comoentrecruzamiento. Si los cromosomas tienen diferentes alelos,entonces la formacin de los quiasmas crea pequeas diferen-cias genticas en ambos cromosomas (vase el captulo 12).Por lo tanto, el resultado del entrecruzamiento es la recombi-nacin gentica, es decir, la formacin de nuevas combinacio-nes de alelos en un cromosoma.

Al igual que ocurre en la mitosis, los microtbulos del hu-so comienzan a ensamblarse fuera del ncleo durante la pro-fase I. Cerca del final de sta, se desintegra la envolturanuclear y los microtbulos del huso captan los cromosomas fi-jndose en sus cinetocoros.

Durante la metafase I los cromosomas homlogos apareados se alinean en el ecuador de la clula

Durante la metafase l, las interacciones entre los cinetocorosy los microtbulos del huso desplazan los homlogos aparea-dos al ecuador de la clula (FIGURA 11-21b). A diferencia dela mitosis, donde se alinean cromosomas duplicados indivi-duales a lo largo del ecuador, durante la metafase I de lameiosis son pares homlogos de cromosomas duplicados (t-tradas) los que se alinean a lo largo del ecuador.

La clave para entender la meiosis radica en saber cmo sealinean los cromosomas duplicados en la metafase l. As que,antes de seguir adelante, examinemos con ms detenimientolas diferencias entre la fijacin de los cromosomas a los mi-crotbulos del huso en la mitosis, as como la fijacin en lameiosis I. En primer lugar, en la mitosis los homlogos se fi-jan de forma independiente al huso. En la meiosis I los hom-logos permanecen asociados entre s mediante los quiasmas, yse fijan al huso como una unidad que contiene los homlogosmaterno y paterno. En segundo lugar, en la mitosis el cromo-soma duplicado tiene dos cinetocoros en condiciones de fun-

MEIOSIS II

e) Profase II. Si los cromosomas se relajaron despus de la telofase I, se condensan de nuevo. Los microtbulos del huso se forman otra vez y se fijan a las cromtidas hermanas.

f) Metafase II. Loscromosomas duplicados se alinean a lo largo del ecuador, con las cromtidas hermanas de cada cromosoma unidas a microtbulos del huso que llevan hacia polos opuestos.

g) Anafase II. Lascromtidas de los cromosomas duplicados se separan en cromosomas hijos no duplicadosindependientes;una de las cromtidas hermanas se desplaza hacia cada uno de los polos.

h) Telofase II. Loscromosomas concluyen su desplazamiento hacia polos opuestos. Se forman de nuevo las envolturas nucleares y los cromosomas se despliegan una vez ms (no se muestran aqu).

i) Cuatro clulas haploides. Lacitocinesis da origen a cuatro clulas haploides, cada una con un miembro de cada par de cromosomas homlogos (aqu se muestran en el estado condensado).

212 Captulo 11 LA CONTINUIDAD DE LA VIDA: REPRODUCCIN CELULAR

MEIOSIS I: Los cromosomas homlogos estn apareados (formando ttradas). Cada par de cromtidas tiene un solo cinetocoro funcional.

FIGURA 11-24 Cromosoma unido al huso en la meiosis I

MITOSIS: Los cromosomas homlogos no estn apareados (no forman ttradas). Cada cromtida tiene un cinetocoro funcional.

microtbulos del huso

cromosomas duplicados

FIGURA 11-23 Cromosoma unido al huso en la mitosis

par de cromosomas duplicados homlogos

cromtidashermanas de un homlogo duplicado

cadenas de protena que unen los cromosomasduplicados

direccinde la formacin de la cremallera

a) Los cromosomas homlogos duplicados se aparean uno al lado del otro (formando un cromosoma bivalente o ttrada).

b) Las cadenas de protena cierran los cromosomas homlogos como una cremallera.

enzimas de recombinacin

quiasma

c) Las enzimas de recombinacin se enlazan a los cromosomas unidos.

d) Las enzimas de recombinacin cortan y separan las cromtidas y vuelven a unir los extremos sueltos.

Se forman quiasmas (los sitios del entrecruzamiento) cuando un extremo de la cromtida paterna (amarillo) se une al otro extremo de una cromtida materna (morado).

e) Se alejan las cadenas de protena y las enzimas de recombinacin. Los quiasmas se conservan y contribuyen a mantener unidos a los cromosomas homlogos.

quiasma

FIGURA 11-22 El mecanismo delentrecruzamiento

cionamiento, uno en cada cromtida hermana. Ambos cineto-coros se fijan a los microtbulos del huso, de tal forma que cada cromtida hermana est unida a microtbulos que tiranhacia polos opuestos (FIGURA 11-23).

En la meiosis I el cromosoma duplicado tiene un solo cine-tocoro en condiciones de funcionamiento, por lo que ambascromtidas hermanas se fijan a microtbulos del huso que ti-

ran hacia el mismo polo. Sin embargo, los cromosomas de unpar homlogo se unen a los microtbulos del huso que tirande ellos hacia polos opuestos (FIGURA 11-24).

Estas diferencias de fijacin explican lo que ocurre en laanafase. En la mitosis, las cromtidas hermanas se separan y sedesplazan hacia polos opuestos; en cambio, en la meiosis I lascromtidas hermanas de cada cromosoma duplicado perma-

CUNDO OCURREN LA DIVISIN CELULAR MEITICA Y MITTICA EN EL CICLO DE VIDA.. .? 213

necen unidas entre s y se desplazan hacia el mismo polo; sinembargo, los homlogos se separan y se desplazan hacia polosopuestos.

En la meiosis I se determina aleatoriamente qu miembrodel par de cromosomas homlogos mira hacia un polo de-terminado de la clula. El cromosoma materno puede mirarhacia el norte en el caso de ciertos pares, y hacia el sur enel de los dems. Dicha aleatoriedad (tambin conocida comodistribucin independiente), aunada a la recombinacin gen-tica debida al entrecruzamiento, explican la diversidad genti-ca de las clulas haploides producidas por meiosis.

Durante la anafase I se separan los cromosomas homlogos

En la anafase I los cromosomas homlogos se separan unos deotros y son remolcados por su cinetocoro hacia polos opues-tos de la clula (figura 11-21c). Uno de los cromosomas dupli-cados de un par homlogo (que an se compone de doscromtidas hermanas) se desplaza hacia un polo diferente dela clula que se divide.Al final de la anafase I, el grupo de cro-mosomas que est en cada uno de los polos contiene unmiembro de cada par de cromosomas homlogos. Por lo tanto,cada uno de los grupos contiene el nmero haploide de cro-mosomas.

Durante la telofase I se forman dos grupos haploides de cromosomas duplicados

En la telofase I desaparecen los microtbulos del huso. Por locomn, la citocinesis se lleva a cabo en esta fase (figura 11-21d) y la envoltura nuclear se reintegra. Casi siempre la telo-fase I es seguida inmediatamente por la meiosis II, con pocao ninguna intervencin de la interfase. Es importante recor-dar que los cromosomas no se duplican entre la meiosis I y lameiosis II.

La meiosis II separa las cromtidas hermanas en cuatro ncleos hijosDurante la meiosis II las cromtidas hermanas de cada cro-mosoma duplicado se separan mediante un proceso que esprcticamente idntico a la mitosis, aunque ocurre en clulashaploides. Durante la profase II se forman de nuevo los mi-crotbulos del huso (figura 11-21e). Los cromosomas duplica-dos se fijan individualmente a microtbulos del huso, talcomo lo hicieron en la mitosis. Cada cromtida contiene un ci-netocoro en condiciones de funcionamiento, permitiendo asque cada cromtida hermana de un cromosoma duplicado sefije a microtbulos del huso que se extienden hacia polosopuestos de la clula. Durante la metafase II, los cromosomasduplicados se alinean en el ecuador de la clula (figura 11-21f). Durante la anafase II, las cromtidas hermanas se se-paran y son remolcadas hacia polos opuestos (figura 11-21g).Con la telofase II y la citocinesis concluye la meiosis II: se for-man de nuevo las envolturas nucleares, los cromosomas se re-lajan y adoptan su estado desplegado, y se divide elcitoplasma (figura 11-21h). Por lo comn, las dos clulas hijasproducto de la meiosis I sufren la meiosis II, con lo cual se ob-tiene un total de cuatro clulas haploides a partir de la cluladiploide progenitora original (figura 11-21i).

Ahora que ya hemos estudiado todos los procesos con de-tenimiento, examina la tabla 11-1 para repasar y comparar lasdivisiones celulares mittica y meitica.

11.7 CUNDO OCURREN LA DIVISIN CELULAR MEITICA Y MITTICA EN EL CICLO DE VIDA DE LOS EUCARIOTAS?

Los ciclos de vida de casi todos los organismos eucariticos si-guen un patrn general en comn (FIGURA 11-25). Primero,durante el proceso de fertilizacin dos clulas haploides se fu-

divisin celular mittica y crecimiento o reproduccin asexual

divisincelularmittica y crecimiento

adultohaploidemulticelular

divisincelularmittica y crecimiento

divisin celular mittica y crecimiento

adultosdiploidesmulticelulares

cigoto cigoto

nn

n

n

n

n

n

n

n

nn

n

n

divisin celular meitica

divisin celular meitica

CICLO DE VIDA DIPLOIDE(animales)

ALTERNANCIA