División celular
Proceso por el cual las células vivas se dividen
División celular en procariotas ( fisión binaria ) y eucariotas ( mitosis y meiosis ). Las líneas gruesas son cromosomas y las líneas azules finas son fibras que tiran de los cromosomas y separan los extremos de la célula.
El ciclo celular en eucariotas: I = Interfase, M = Mitosis, G 0 = Gap 0, G 1 = Gap 1, G 2 = Gap 2, S = Síntesis, G 3 = Gap 3.

La división celular es el proceso por el cual una célula madre se divide en dos células hijas. [1] La división celular ocurre usualmente como parte de un ciclo celular más grande en el cual la célula crece y replica su(s) cromosoma(s) antes de dividirse. En eucariotas , hay dos tipos distintos de división celular: una división vegetativa ( mitosis ), produciendo células hija genéticamente idénticas a la célula madre, y una división celular que produce gametos haploides para reproducción sexual ( meiosis ), reduciendo el número de cromosomas de dos de cada tipo en la célula madre diploide a uno de cada tipo en las células hijas. [2] La mitosis es una parte del ciclo celular , en la cual, los cromosomas replicados son separados en dos nuevos núcleos . La división celular da lugar a células genéticamente idénticas en las cuales el número total de cromosomas se mantiene. En general, la mitosis (división del núcleo) es precedida por la etapa S de interfase (durante la cual ocurre la replicación del ADN ) y es seguida por la telofase y la citocinesis ; que divide el citoplasma , los orgánulos y la membrana celular de una célula en dos nuevas células que contienen partes aproximadamente iguales de estos componentes celulares. Las diferentes etapas de la mitosis en conjunto definen la fase M de un ciclo celular animal : la división de la célula madre en dos células hijas genéticamente idénticas. [3] Para garantizar la progresión adecuada a través del ciclo celular, el daño del ADN se detecta y repara en varios puntos de control a lo largo del ciclo. Estos puntos de control pueden detener la progresión a través del ciclo celular inhibiendo ciertos complejos ciclina-CDK . La meiosis sufre dos divisiones que dan como resultado cuatro células hijas haploides. Los cromosomas homólogos se separan en la primera división de la meiosis, de modo que cada célula hija tiene una copia de cada cromosoma. Estos cromosomas ya se han replicado y tienen dos cromátidas hermanas que luego se separan durante la segunda división de la meiosis. [4] Ambos ciclos de división celular se utilizan en el proceso de reproducción sexual en algún momento de su ciclo de vida. Se cree que ambos están presentes en el último ancestro común eucariota.

Los procariotas ( bacterias y arqueas ) suelen experimentar una división celular vegetativa conocida como fisión binaria , en la que su material genético se segrega de forma igualitaria en dos células hijas, pero se han observado otras formas de división, como la gemación . Todas las divisiones celulares, independientemente del organismo, están precedidas por una única ronda de replicación del ADN.

En el caso de microorganismos unicelulares simples como la ameba , una división celular equivale a la reproducción : se crea un organismo nuevo . A mayor escala, la división celular mitótica puede crear progenie a partir de organismos multicelulares , como las plantas que crecen a partir de esquejes. La división celular mitótica permite que los organismos que se reproducen sexualmente se desarrollen a partir del cigoto unicelular , que a su vez se produce por la fusión de dos gametos , cada uno de los cuales se ha producido por división celular meiótica. [5] [6] Después del crecimiento desde el cigoto hasta el adulto, la división celular por mitosis permite la construcción y reparación continua del organismo. [7] El cuerpo humano experimenta alrededor de 10 cuatrillones de divisiones celulares a lo largo de la vida . [8]

La preocupación principal de la división celular es el mantenimiento del genoma de la célula original . Antes de que pueda ocurrir la división, la información genómica que se almacena en los cromosomas debe replicarse, y el genoma duplicado debe dividirse limpiamente entre las células de la progenie. [9] Una gran parte de la infraestructura celular está involucrada en asegurar la coherencia de la información genómica entre generaciones. [10] [11] [12]

En bacterias

Complejos divisoma y elongasoma responsables de la síntesis de peptidoglicano durante el crecimiento y la división de la pared celular lateral. [13]

La división celular bacteriana se produce por fisión binaria o por gemación . El divisoma es un complejo proteico en las bacterias que es responsable de la división celular, la constricción de las membranas internas y externas durante la división y la remodelación de la pared celular de peptidoglicano en el sitio de división. FtsZ , una proteína similar a la tubulina, desempeña un papel fundamental en la formación de un anillo contráctil para la división celular. [14]

En eucariotas

La división celular en eucariotas es más complicada que en procariotas. Si el número de cromosomas se reduce, la división celular eucariota se clasifica como meiosis (división reduccional). Si el número de cromosomas no se reduce, la división celular eucariota se clasifica como mitosis (división ecuacional). También existe una forma primitiva de división celular, llamada amitosis . Las divisiones celulares amitóticas o mitóticas son más atípicas y diversas entre los diversos grupos de organismos, como los protistas (a saber, diatomeas , dinoflagelados , etc.) y los hongos . [ cita requerida ]

Formas de mitosis (paso de cariocinesis) en eucariotas
  • pleuromitosis intranuclear cerrada
    pleuromitosis
    intranuclear cerrada
  • pleuromitosis extranuclear cerrada
    pleuromitosis
    extranuclear cerrada
  • ortomitosis cerrada

    ortomitosis cerrada
  • pleuromitosis semiabierta

    pleuromitosis semiabierta
  • ortomitis semiabierta

    ortomitis semiabierta
  • ortomitosis abierta

    ortomitosis abierta

En la metafase mitótica (ver más abajo), normalmente los cromosomas (cada uno de los cuales contiene 2 cromátidas hermanas que se desarrollaron durante la replicación en la fase S de la interfase) se alinean en la placa de metafase. Luego, las cromátidas hermanas se dividen y se distribuyen entre dos células hijas. [ cita requerida ]

En la meiosis I, los cromosomas homólogos se aparean antes de separarse y distribuirse entre dos células hijas. Por otro lado, la meiosis II es similar a la mitosis. Las cromátidas se separan y distribuyen de la misma manera. En los seres humanos, otros animales superiores y muchos otros organismos, el proceso de meiosis se llama meiosis gamética , durante la cual la meiosis produce cuatro gametos. Mientras que, en varios otros grupos de organismos, especialmente en las plantas (observable durante la meiosis en las plantas inferiores, pero durante la etapa vestigial en las plantas superiores), la meiosis da lugar a esporas que germinan en la fase vegetativa haploide (gametofito). Este tipo de meiosis se llama meiosis espórica. [ cita requerida ]

Fases de la división celular eucariota

Las fases (ordenadas en sentido antihorario) de la división celular ( mitosis ) y el ciclo celular en las células animales.

Interfase

La interfase es el proceso por el que debe pasar una célula antes de la mitosis, la meiosis y la citocinesis . [15] La interfase consta de tres fases principales: G 1 , S y G 2 . G 1 es un momento de crecimiento de la célula donde ocurren funciones celulares especializadas para preparar la célula para la replicación del ADN. [16] Hay puntos de control durante la interfase que permiten que la célula avance o detenga un mayor desarrollo. Uno de los puntos de control está entre G 1 y S, el propósito de este punto de control es verificar el tamaño apropiado de la célula y cualquier daño en el ADN . El segundo punto de control está en la fase G 2 , este punto de control también verifica el tamaño de la célula pero también la replicación del ADN. El último punto de control está ubicado en el sitio de la metafase, donde verifica que los cromosomas estén correctamente conectados a los husos mitóticos. [17] En la fase S, los cromosomas se replican para que se mantenga el contenido genético. [18] Durante G 2 , la célula experimenta las etapas finales de crecimiento antes de entrar en la fase M, donde se sintetizan los husos . La fase M puede ser mitosis o meiosis dependiendo del tipo de célula. Las células germinales , o gametos, experimentan meiosis, mientras que las células somáticas experimentarán mitosis. Después de que la célula avanza con éxito a través de la fase M, puede experimentar división celular a través de citocinesis. El control de cada punto de control está controlado por ciclina y quinasas dependientes de ciclina . La progresión de la interfase es el resultado de la mayor cantidad de ciclina. A medida que aumenta la cantidad de ciclina, cada vez más quinasas dependientes de ciclina se unen a la ciclina, lo que envía señales a la célula hacia la interfase. En el pico de la ciclina, unida a las quinasas dependientes de ciclina, este sistema empuja a la célula fuera de la interfase y hacia la fase M, donde ocurren la mitosis, la meiosis y la citocinesis. [19] Hay tres puntos de control de transición por los que la célula tiene que pasar antes de entrar en la fase M. El más importante es el punto de control de transición G1 - S. Si la célula no pasa por este punto de control, la célula sale del ciclo celular. [20]

Profase

La profase es la primera etapa de la división. La envoltura nuclear comienza a descomponerse en esta etapa, las hebras largas de cromatina se condensan para formar hebras más cortas y visibles llamadas cromosomas, el nucléolo desaparece y el huso mitótico comienza a ensamblarse a partir de los dos centrosomas. [21] Los microtúbulos asociados con la alineación y separación de los cromosomas se denominan huso y fibras del huso. Los cromosomas también serán visibles bajo un microscopio y estarán conectados en el centrómero. Durante este período de condensación y alineación en la meiosis, los cromosomas homólogos experimentan una ruptura en su ADN bicatenario en las mismas ubicaciones, seguida de una recombinación de las hebras de ADN parental ahora fragmentadas en combinaciones no parentales, conocidas como entrecruzamiento. [22] Se ha demostrado que este proceso es causado en gran parte por la proteína Spo11 altamente conservada a través de un mecanismo similar al observado con la topoisomerasa en la replicación y transcripción del ADN. [23]

Prometafase

La prometafase es la segunda etapa de la división celular. Esta etapa comienza con la ruptura completa de la envoltura nuclear, que expone varias estructuras al citoplasma. Esta ruptura permite que el huso mitótico que crece desde el centrosoma se adhiera a los cinetocoros de las cromátidas hermanas. La unión estable del huso mitótico a los cinetocoros de las cromátidas hermanas garantizará una segregación cromosómica sin errores durante la anafase. [24] La prometafase sigue a la profase y precede a la metafase.

Metafase

En la metafase , los centrómeros de los cromosomas se alinean en la placa metafásica (o placa ecuatorial ), una línea imaginaria que está a distancias iguales de los dos polos del centrosoma y se mantiene unida por complejos conocidos como cohesinas . Los cromosomas se alinean en el medio de la célula mediante centros organizadores de microtúbulos (MTOC) que empujan y tiran de los centrómeros de ambas cromátidas, lo que hace que el cromosoma se mueva hacia el centro. En este punto, los cromosomas todavía se están condensando y actualmente están a un paso de estar lo más enrollados y condensados ​​que estarán, y las fibras del huso ya se han conectado a los cinetocoros. [25] Durante esta fase, todos los microtúbulos, con la excepción de los cinetocoros, están en un estado de inestabilidad que promueve su progresión hacia la anafase. [26] En este punto, los cromosomas están listos para dividirse en polos opuestos de la célula hacia el huso al que están conectados. [27]

Anafase

La anafase es una etapa muy corta del ciclo celular y ocurre después de que los cromosomas se alinean en la placa mitótica. Los cinetocoros emiten señales de inhibición de la anafase hasta que se unen al huso mitótico. Una vez que el cromosoma final está correctamente alineado y unido, la señal final se disipa y desencadena el cambio abrupto a la anafase. [26] Este cambio abrupto es causado por la activación del complejo promotor de la anafase y su función de marcar la degradación de proteínas importantes para la transición de metafase a anafase. Una de estas proteínas que se descompone es la securina , que a través de su descomposición libera la enzima separasa que escinde los anillos de cohesión que mantienen unidas a las cromátidas hermanas, lo que lleva a la separación de los cromosomas. [28] Después de que los cromosomas se alinean en el medio de la célula, las fibras del huso los separan. Los cromosomas se separan mientras que las cromátidas hermanas se mueven a lados opuestos de la célula. [29] A medida que las cromátidas hermanas se separan, la célula y el plasma se alargan mediante microtúbulos no cinetocóricos. [30] Además, en esta fase, la activación del complejo promotor de la anafase a través de la asociación con Cdh-1 inicia la degradación de las ciclinas mitóticas. [31]

Telofase

La telofase es la última etapa del ciclo celular en la que un surco de segmentación divide el citoplasma de las células (citocinesis) y la cromatina. Esto ocurre mediante la síntesis de una nueva envoltura nuclear que se forma alrededor de la cromatina reunida en cada polo. El nucléolo se reforma a medida que la cromatina vuelve al estado laxo que poseía durante la interfase. [32] [33] La división del contenido celular no siempre es igual y puede variar según el tipo de célula, como se ve en la formación de ovocitos, donde una de las cuatro células hijas posee la mayoría de la cromatina. [34]

Citocinesis

La última etapa del proceso de división celular es la citocinesis . En esta etapa se produce una división citoplasmática que se produce al final de la mitosis o la meiosis. En esta etapa se produce una separación irreversible que da lugar a dos células hijas. La división celular desempeña un papel importante a la hora de determinar el destino de la célula. Esto se debe a que existe la posibilidad de una división asimétrica. Esto, como resultado, conduce a que la citocinesis produzca células hijas desiguales que contienen cantidades o concentraciones completamente diferentes de moléculas determinantes del destino. [35]

En los animales, la citocinesis termina con la formación de un anillo contráctil y, a continuación, con una división. Pero en las plantas, ocurre de forma diferente: primero se forma una placa celular y, a continuación, se desarrolla una pared celular entre las dos células hijas. [36]

En la levadura de fisión ( S. pombe ) la citocinesis ocurre en la fase G1. [37]

Variantes

Imagen del huso mitótico en una célula humana que muestra los microtúbulos en verde, los cromosomas (ADN) en azul y los cinetocoros en rojo. [ cita requerida ]

Las células se clasifican en dos categorías principales: células procariotas simples no nucleadas y células eucariotas complejas nucleadas . Debido a sus diferencias estructurales, las células eucariotas y procariotas no se dividen de la misma manera. Además, el patrón de división celular que transforma las células madre eucariotas en gametos ( células espermáticas en los hombres u óvulos en las mujeres), denominado meiosis, es diferente al de la división de las células somáticas en el cuerpo.

División celular durante 42 horas. Las células se visualizaron directamente en el recipiente de cultivo celular, utilizando microscopía de lapso de tiempo de contraste de fase cuantitativa no invasiva . [38]

En 2022, los científicos descubrieron un nuevo tipo de división celular llamada fisión asintética que se encuentra en las células epiteliales escamosas de la epidermis de los peces cebra juveniles. Cuando los peces cebra juveniles están creciendo, las células de la piel deben cubrir rápidamente la superficie del pez cebra, que aumenta rápidamente. Estas células de la piel se dividen sin duplicar su ADN (la fase S de la mitosis), lo que hace que hasta el 50% de las células tengan un tamaño de genoma reducido. Estas células son reemplazadas posteriormente por células con una cantidad estándar de ADN. Los científicos esperan encontrar este tipo de división en otros vertebrados. [39]

Reparación de daños en el ADN durante el ciclo celular

El daño del ADN se detecta y repara en varios puntos del ciclo celular. El punto de control G1/S, el punto de control G2/M y el punto de control entre la metafase y la anafase controlan el daño del ADN y detienen la división celular inhibiendo diferentes complejos ciclina-CDK. La proteína supresora de tumores p53 desempeña un papel crucial en el punto de control G1/S y el punto de control G2/M. Las proteínas p53 activadas dan lugar a la expresión de muchas proteínas que son importantes en la detención, reparación y apoptosis del ciclo celular. En el punto de control G1/S, p53 actúa para garantizar que la célula esté lista para la replicación del ADN, mientras que en el punto de control G2/M p53 actúa para garantizar que las células hayan duplicado correctamente su contenido antes de entrar en la mitosis. [40]

En concreto, cuando hay daño en el ADN, se activan las quinasas ATM y ATR , activando varias quinasas de punto de control. [41] Estas quinasas de punto de control fosforilan p53, que estimula la producción de diferentes enzimas asociadas con la reparación del ADN. [42] La p53 activada también regula positivamente p21 , que inhibe varios complejos ciclina-cdk. Estos complejos ciclina-cdk fosforilan la proteína Retinoblastoma (Rb) , un supresor tumoral unido a la familia E2F de factores de transcripción. La unión de esta proteína Rb asegura que las células no entren en la fase S prematuramente; sin embargo, si no puede ser fosforilada por estos complejos ciclina-cdk, la proteína permanecerá y la célula se detendrá en la fase G1 del ciclo celular. [43]

Si el ADN está dañado, la célula también puede alterar la vía Akt en la que BAD se fosforila y se disocia de Bcl2, inhibiendo así la apoptosis. Si esta vía se altera por una mutación de pérdida de función en Akt o Bcl2, entonces la célula con ADN dañado se verá obligada a sufrir apoptosis. [44] Si el daño del ADN no se puede reparar, p53 activado puede inducir la muerte celular por apoptosis . Puede hacerlo activando el modulador de apoptosis regulado positivamente por p53 (PUMA) . PUMA es una proteína proapoptótica que induce rápidamente la apoptosis inhibiendo a los miembros de la familia antiapoptótica Bcl-2 . [45]

Degradación

Los organismos multicelulares reemplazan las células desgastadas mediante la división celular. Sin embargo, en algunos animales, la división celular finalmente se detiene. En los humanos , esto ocurre, en promedio, después de 52 divisiones, conocidas como el límite de Hayflick . La célula se denomina entonces senescente . Con cada división, los telómeros de las células , secuencias protectoras de ADN en el extremo de un cromosoma que evitan la degradación del ADN cromosómico, se acortan . Este acortamiento se ha correlacionado con efectos negativos como enfermedades relacionadas con la edad y una menor esperanza de vida en los seres humanos. [46] [47] Por otro lado, no se cree que las células cancerosas se degraden de esta manera, si es que lo hacen. Un complejo enzimático llamado telomerasa , presente en grandes cantidades en las células cancerosas, reconstruye los telómeros mediante la síntesis de repeticiones de ADN telomérico, lo que permite que la división continúe indefinidamente. [48]

Historia

Kurt Michel con su microscopio de contraste de fases

A principios del siglo XIX circulaban diversas hipótesis sobre la proliferación celular, que se hizo observable en organismos vegetales y animales gracias a los avances en microscopía. Mientras que la proliferación de células en el interior de células viejas [49] [50] , la unión de vesículas a células existentes [51] o la cristalización en el espacio intercelular [52] se postulaban como mecanismos de proliferación celular, la división celular en sí tuvo que luchar por su aceptación durante décadas.

El botánico belga Barthélemy Charles Joseph Dumortier debe ser considerado el primer descubridor de la división celular. En 1832, describió la división celular en plantas acuáticas simples (en francés, "conferve") de la siguiente manera (traducido del francés al inglés):

“El desarrollo de la conferva es tan simple como su estructura; se lleva a cabo por la unión de nuevas células a las antiguas, y esta unión se realiza siempre desde el extremo. La célula terminal se alarga más que las células más profundas; entonces se produce la producción de una bisectriz lateral en el fluido interno, que tiende a dividir la célula en dos partes, de las cuales la más profunda permanece estacionaria, mientras que la parte terminal se alarga de nuevo, formando un nuevo tabique interno, y así sucesivamente. ¿La producción del tabique intermedio es originalmente doble o simple? Es imposible determinarlo, pero siempre es cierto que más tarde aparece doble cuando se unen, y que cuando dos células se separan naturalmente, cada una de ellas está cerrada en ambos extremos.” [53]

En 1835, el botánico y médico alemán Hugo von Mohl describió la división celular de las plantas con mucho más detalle en su disertación sobre algas de agua dulce y salada para su tesis de doctorado en medicina y cirugía: [54]

“Entre los fenómenos más oscuros de la vida vegetal se encuentra el modo en que se forman las células recién formadas. [...] Por eso no faltan múltiples descripciones y explicaciones de este proceso. [...] Y las lagunas que se encontraron en las observaciones se llenaron con conclusiones y suposiciones demasiado atrevidas.” (traducido del alemán al inglés)

En 1838, el médico y botánico alemán Franz Julius Ferdinand Meyen confirmó el mecanismo de división celular en las puntas de las raíces de las plantas. [55] El médico germano-polaco Robert Remak sospechaba que ya había descubierto la división celular animal en la sangre de embriones de pollo en 1841, [56] pero no fue hasta 1852 que pudo confirmar la división celular animal por primera vez en embriones de aves, larvas de rana y mamíferos. [57]

En 1943, Kurt Michel filmó por primera vez la división celular [58] utilizando un microscopio de contraste de fases . [59]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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  • J. M. Turner Fetus into Man (1978, 1989). Prensa de la Universidad de Harvard. ISBN 0-674-30692-9 
  • División celular: fisión binaria y mitosis
  • McDougal, W. Scott, et al. Revisión de la undécima edición de Urología de Campbell-Walsh . Elsevier, 2016.
  • La sección Mitosis y control del ciclo celular de Landmark Papers in Cell Biology (Gall JG, McIntosh JR, eds.) contiene comentarios y enlaces a artículos de investigación fundamentales sobre la mitosis y la división celular. Publicado en línea en la Biblioteca de imágenes y videos de la Sociedad Estadounidense de Biología Celular
  • La biblioteca de imágenes y vídeos archivada el 10 de junio de 2011 en la Wayback Machine de la Sociedad Estadounidense de Biología Celular contiene muchos vídeos que muestran la división celular.
  • La división celular de la célula Biblioteca de imágenes
  • Imágenes: Calanthe discolor Lindl. – El jardín secreto de flores de Flavon
  • Modelo de división celular de Tyson y descripción en la base de datos BioModels
  • WormWeb.org: Visualización interactiva del linaje celular de C. elegans: visualice el conjunto completo de divisiones celulares del nematodo C. elegans
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