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División celular
Las células se reproducen duplicando su contenido y dividiéndose en dos. En los
organismos unicelulares, como las bacterias y las levaduras, cada división celular produce un
nuevo organismo completo, mientras que para producir un nuevo organismo multicelular a
partir de un huevo fertilizado, se requieren varias series de divisiones celulares. Este ciclo de
duplicación y división, esencial para la reproducción de todos los organismos vivos, se conoce
como ciclo celular. En el capítulo 18 analizamos la manera en que las células eucariontes
controlan las diferentes fases del ciclo para que se produzcan en el momento correcto y en
la secuencia correcta. En este capítulo nos concentraremos en la fase final del ciclo celular,
cuando la célula divide su núcleo (mitosis) y luego su citoplasma (citocinesis). La mitosis y la
citocinesis en conjunto constituyen la fase M del ciclo celular (véase fig. 19-1).
Fig. 19-1 La fase M del ciclo celular
consiste en la división nuclear
(mitosis) seguida por la división
citoplasmática (citocinesis).
Aunque la fase M se produce durante un lapso relativamente breve -de alrededor de una
hora en una célula de mamífero que se divide una vez por día o incluso una vez por año-,
indudablemente es la fase más impresionante del ciclo celular. Durante este breve período la
célula reorganiza casi todos sus componentes y los distribuye en forma equitativa en las dos
células hijas. El resto del ciclo celular, en efecto, sirve para preparar las condiciones para la
fase M. En las células que proliferan más rápidamente este período preparatorio, denominado
inferfase, se divide en tres fases: la fase S, durante la cual se replica el DNA, y dos intervalos o
fases gap, G1 y G2, que proporcionan un tiempo adicional para que la célula crezca (véase fig.
19-2). Durante la interfase los sucesos que preparan a la célula para la fase M, como todos
los demás sucesos del ciclo celular, están coordinados por el sistema de control del ciclo
celular. Como se vio en el capítulo 18, el núcleo del sistema de control es un conjunto de
proteínas que se activan en forma secuencial para desencadenar el comienzo de los
diferentes pasos del ciclo. Entre estas proteínas regulatorias se encuentran las cinasas
dependientes de ciclina (Cdk) que controlan el ingreso en la fase S y en la fase M.
Fig. 19-2 El ciclo celular de las células
eucariontes
comprende
cuatro
fases
sucesivas
La división nuclear y luego la división
citoplasmática se producen en la fase M.
La interfase se divide en tres fases:
• la replicación del ADN se lleva a cabo
durante la fase S
• la fase G1 es el intervalo entre la fase
M y la fase S
• la fase G2 es el intervalo comprendido
entre la fase S y la fase M.
La célula crece continuamente durante la
interfase pero detiene su crecimiento durante la
fase M.
En este capítulo la más importante de estas cinasas es la Cdk de la fase M (Cdk-M), que
inicia esta fase (como se explicó en el capítulo 18). La activación de la Cdk-M impulsa
muchos de los cambios morfológicos que se producen en las células animales durante la
mitosis: los cromosomas se condensan, la envoltura nuclear se rompe, el retículo
endoplasmático y el aparato de Golgi se reorganizan, la célula pierde sus adherencias a otras
células y a la matriz extracelular y el citoesqueleto sufre una reorganización radical para
formar las estructuras especializadas que segregarán los cromosomas replicados y dividirán
la célula en dos. La fase M finaliza cuando se inactiva la Cdk-M.
Comenzaremos este capítulo con una descripción general de la fase M. Luego analizaremos,
por partes, los eventos que se producen durante la mitosis y la citocinesis, especialmente en
las células animales.
Descripción general de la fase M
El problema central de una célula en fase M es separar y distribuir (segregar) con precisión
sus cromosomas, que ya fueron replicados en la fase S precedente, para que cada célula
hija nueva reciba una copia idéntica del genoma. Con mínimas variantes todas las células
eucariontes resuelven este problema de manera similar: ensamblan máquinas
especializadas en el citoesqueleto que separan la dotación cromosómica duplicada
desplazándola hacia ambos lados y luego escinden el citoplasma en dos mitades. Sin
embargo, antes de que los cromosomas duplicados puedan separarse y distribuirse en
partes iguales en las dos células hijas en la fase M deben configurarse adecuadamente y
este proceso comienza en la fase S.
En la preparación de la fase M las proteínas que se unen al ADN configuran
cromosomas replicados para la segregación
Cuando los cromosomas se duplican en la fase S las dos copias de cada cromosoma
replicado permanecen íntimamente unidas entre sí como cromátídas hermanas idénticas.
Éstas se mantienen juntas porque unos complejos proteicos denominados cohesinas se
ensamblan a lo largo de cada una de ellas a medida que se va replicando el DNA. Esta
cohesión entre las cromátidas hermanas es esencial para la segregación apropiada de los
cromosomas y desaparece recién en una fase tardía de la mitosis para permitir la
separación de las cromátidas hermanas.
Cuando la célula está por ingresar en la fase M los cromosomas replicados se condensan y
se visualizan como estructuras filiformes. Un conjunto de complejos proteicos, denominados
condensinas, ayudan a producir esta condensación de los cromosomas. La Cdk-M
que inicia el ingreso en la fase M desencadena el ensamblaje de complejos de
condensinas sobre el DNA mediante la fosforilación de ciertas subunidades de condensina.
La acumulación de condensinas sobre el DNA facilita la condensación progresiva de los
cromosomas. Con la condensación los cromosomas mitóticos se tornan más compactos y
se reducen a pequeños paquetes que físicamente pueden ser separados y segregados con
mayor facilidad en los densos confines de la célula en división.
Las cohesinas y las condensinas están relacionadas estructuralmente y trabajan en conjunto
para ayudar a configurar los cromosomas replicados para la mitosis. Como se ilustra en la
figura 19-3, las cohesinas se unen a dos moléculas paralelas de DNA -las cromátidas
hermanas idénticas- y las mantienen juntas, mientras que las condensinas se unen a una
molécula individual de DNA para ayudar a condensarla.
Fig. 19-3 Relación entre la estructura y función de las cohesinas y condensinas.
(A) Ambas proteínas tienen en un extremo dos dominios de unión al ADN idénticos y en el otro
extremo una región bisagra. Los dos extremos están unidos entre sí por dos regiones largas y
enrolladas. Esta estructura flexible está bien adaptada para su función de unir dos moléculas de
ADN.
(B) Las cohesinas se disponen entre dos cromátidas hermanas adyacentes, uniéndolas entre sí.
(C) Las condensinas median las uniones intramoleculares del enrollamiento del ADN, en el proceso de
condensación de los cromosomas.
El citoesqueleto lleva a cabo la mitosis y la citocinesis
Después de la condensación de los cromosomas replicados se forman secuencialmente
dos estructuras citoesqueléticas diferentes que llevan a cabo los dos procesos mecánicos que
se producen en la fase M: la división nuclear (mitosis) y la división citoplasmática (citocinesis).
Ambas estructuras se desorganizan enseguida después de haber cumplido sus funciones.
Para producir dos células hijas genéticamente idénticas la célula eucarionte tiene que
realizar el delicado trabajo de separar los cromosomas replicados y asignan una copia de
cada cromosoma a cada célula hija. En todas las células eucariontes, este proceso tiene lugar
durante la mitosis por una compleja maquinaria citoesquelética que se denomina huso
mitótico. El huso está compuesto por microtúbulos y diferentes proteínas que interactúan
con ellos, incluidas las proteínas motoras dependientes de los microtúbulos.
En las células animales y en muchos eucariontes unicelulares una estructura citoesquelética
diferente es responsable de la citocinesis. Esta estructura se denomina anillo contráctil porque
consiste principalmente en filamentos de actina y miosina distribuidos en forma de anillo
alrededor del ecuador de la célula. El anillo contráctil comienza a formarse hacia el final de la
mitosis, justo por debajo de la membrana plasmática. Cuando el anillo se contrae empuja la
membrana hacia adentro, lo que determina que la célula se divida en dos (véase fig. 19-4).
Luego veremos de qué manera las células vegetales, que tienen que enfrentarse con su pared,
dividen su citoplasma mediante un mecanismo muy diferente.
Fig. 19-4 Dos estructuras transitorias del citoesqueleto posibilitan la fase M en las células animales.
El huso mitótico se forma en primer lugar para separar los cromosomas replicados. Luego se forma el anillo
contráctil que divide a la célula en dos. Mientras que el huso mitótico está constituido por microtúbulos,
anillo contráctil está constituido por filamentos de actina y miosina. Las células vegetales utilizan un
mecanismo muy diferente para dividir el citoplasma, como se explicará después,
La formación del huso mitótico en las células animales depende de los centrosomas, que se
duplican antes de que comience la fase M y luego colaboran en la formación de los polos del
huso, como se explicará a continuación.
Los centrosomas se duplican para ayudar a que se formen los dos polos del huso
mitótico
Antes de que comience la fase M deben completarse dos eventos críticos: el DNA tiene que
replicarse totalmente y, en las células animales, debe duplicarse el centrosoma. El
centrosoma, que es el principal centro organizador de los microtúbulos en las células
animales, debe duplicarse para poder contribuir a la formación de los dos polos del huso
mitótico, que luego separarán los cromosomas duplicados y los distribuirán en las dos células
hijas. Además, cada célula hija debe recibir su propio centrosoma.
Cada centrosoma consta de una matriz amorfa de proteínas que contiene centenares de
anillos de y tubulina. Estos complejos anulares sirven como sitios de nucleación para el
crecimiento de los microtúbulos que irradian hacia afuera del centrosoma. En las células
animales el centrosoma también contiene un par de centríolos, cada uno constituido por
una estructura cilíndrica de microtúbulos cortos.
Durante la interfase de cada ciclo de una célula animal el centrosoma se duplica y ambas
copias permanecen juntas como un complejo único a un lado del núcleo. Cuando
comienza la mitosis los dos centrosomas se separan y cada uno nuclea una estructura
radial de microtúbulos que se denomina áster. Los dos ásteres se desplazan en
direcciones opuestas del núcleo para formar los dos polos del huso mitótico (véase fig. 195). Cuando se rompe la envoltura nuclear el huso captura los cromosomas y finalmente
los separa en una fase más tardía de la mitosis. Como estudiaremos más adelante, la
duplicación del centrosoma es desencadenada por las mismas Cdk que desencadenan la
replicación del DNA lo que explica por qué comienza al principio de la fase S. Cuando la
mitosis termina y la envoltura nuclear se reconstituye alrededor de los cromosomas
separados cada célula hija recibe un centrosoma junto con sus cromosomas. El proceso
de duplicación y separación del centrosoma se conoce como ciclo del centrosoma
Fig. 19-5 El ciclo del centrosoma de una célula animal
El centrosoma de una célula en interfase se duplica formando los dos polos del huso mitótico. En la mayoría de
las células animales el par de centríolos se asocia con la matriz del centrosoma que nuclea a los microtúbulos.
La duplicación del centríolo empieza en G1 y se completa en G2. Inicialmente los dos pares de centríolos y la
matriz del centrosoma asociada, permanecen juntos como un complejo único. En los inicios de la fase M este
complejo se separa en dos y cada centrosoma nuclea una formación de microtúbulos radiales llamada áster.
Los dos ásteres, que inicialmente permanecen uno al lado del otro cerca de la envoltura nuclear, se separan. Al
final de la profase el haz de microtúbulos polares que interactúan preferentemente entre los dos ásteres, se
alarga mientras los dos centrosomas se separan siguiendo caminos opuestos a lo largo de la parte exterior del
núcleo. De esta forma se forma rápidamente el huso mitótico. En la prometafase la envoltura nuclear se rompe,
permitiendo que los microtúbulos del huso interactúen con los cromosomas; en la citocinesis la envoltura nuclear
se forma de nuevo alrededor de los dos conjuntos de cromosomas segregados, excluyendo los centrosomas.
La fase M se divide convencionalmente en seis etapas
Aunque la fase M se produce como una secuencia continua de eventos, tradicionalmente
se la dividió en seis etapas. Las primeras cinco etapas -profase, prometafase, metafase,
anafase y telofase- constituyen la mitosis, que originalmente se definió como el período
en el que los cromosomas son visiblemente condensados. La citocinesis se produce en
la sexta etapa, que se superpone con el final de la mitosis. En conjunto estas etapas
constituyen una secuencia dinámica en la que varios ciclos independientes -en los que
participan los cromosomas, el citoesqueleto y los centrosomas- se desarrollan en forma
coordinada para producir dos células hijas genéticamente idénticas.
Las cinco etapas de la mitosis se producen en un estricto orden secuencial, mientras que la
citocinesis comienza en la anafase y continúa a través de la telofase. Durante la profase los
cromosomas replicados se condensan y el huso mitótico comienza a formarse afuera del
núcleo. Durante la prometafase la envoltura nuclear se rompe, y esto permite que los
microtúbulos del huso entren en contacto con los cromosomas y se unan a ellos. Durante la
metafase el huso mitótico reúne a todos los cromosomas en el centro (ecuador). Durante la
anafase, las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma replicado se separan en forma
sincrónica y el huso las arrastra hacia los polos opuestos de la célula. Durante la telofase se
reconstituye la envoltura nuclear alrededor de cada uno de los dos conjuntos de
cromosomas separados para formar dos núcleos. La citocinesis se completa al final de la
telofase, cuando el núcleo y el citoplasma de cada una de las células hijas vuelven a la
interfase, lo que indica el final de la fase M.
Mitosis
Antes de la división nuclear, o mitosis, cada cromosoma ha sido replicado y está constituido
por dos cromátidas idénticas. Estas se mantienen unidas a lo largo de toda su extensión
mediante proteínas denominadas cohesinas (véase fig. 19-3A y B). Durante la mitosis estas
proteínas se separan y las cromátidas hermanas se escinden hasta transformarse en
cromosomas hijos independientes, que el huso mitótico arrastra hacia los polos opuestos de
la célula (véase fig. 19-6). En esta sección explicaremos cómo se forma el huso mitótico y cómo
funciona. Veremos de qué manera la inestabilidad dinámica de los microtúbulos y la actividad
de las proteínas motoras asociadas con ellos facilitan la formación del huso y la separación de
los cromosomas hijos.
Fig. 19-6 Cada par de cromátidas hermanas se separa para transformarse en dos cromosomas hijos.
Luego los cromosomas hijos son arrastrados hacia los polos opuestos de la célula mediante el huso
mitótico.
La inestabilidad dinámica de los microtúbulos facilita la formación del husos
mitótico
En la mayoría de las células animales los microtúbulos citoplasmáticos irradian de un único
centrosoma. Los extremos de rápido crecimiento de los microtúbulos, llamados extremos (+),
se proyectan hacia afuera en dirección al perímetro de la célula, mientras que sus extremos
(-) se asocian con el centrosoma. Estos microtúbulos se polimerizan y se despolimerizan
continuamente debido a la adición y la pérdida de las subunidades de tubulina que los
componen. Los microtúbulos individuales alternan entre el crecimiento y la involución: un
proceso que se denomina inestabilidad dinámica. Al comienzo de la mitosis los microtúbulos
que se encuentran distribuidos en el citoplasma se desorganizan y empiezan a reordenarse
en un huso mitótico (véase fig. 19-7). Este cambio decisivo se produce en forma abrupta y
se asocia con un marcado aumento de la inestabilidad dinámica de los microtúbulos, que es
crucial tanto para la formación del huso mitótico como para su funcionamiento.
Los microtúbulos originales que irradian desde cada uno de los centrosomas hijos duplicados
al comienzo de la mitosis alternan entre la polimerización y la despolimerización a una
velocidad 20 veces mayor que la de los microtúbulos en la interfase. Además, muchos otros
microtúbulos emergen de cada centrosoma y son, en promedio, mucho más cortos. Por
ende, al comienzo de la mitosis, los microtúbulos largos y relativamente escasos que estaban
distribuidos en la interfase se convierten rápidamente en un número mayor de microtúbulos
dinámicos y más cortos que van a formar el huso mitótico.
Estas diferencias de comportamiento de los microtúbulos entre las células en interfase y las
células en mitosis son impulsadas por modificaciones de la actividad de varías proteínas
asociadas con los microtúbulos (MAP, sigla correspondiente a microtubule-associated proteins).
Durante la interfase muchas MAP diferentes unen a los microtúbulos y los estabilizan. Al
comienzo de la mitosis la Cdk-M que desencadena el ingreso de la célula en la fase M
fosforila algunas de las MAP y reduce su capacidad de estabilizar a los microtúbulos. La
presencia de otras proteínas llamadas catastrofinas desestabiliza aun más a los
microtúbulos al promover su despolimerización repentina. Estos cambios en conjunto
ayudan a impulsar la reorganización masiva de los microtúbulos de la célula que tiene lugar
al principio de la fase M.
Fig. 19-7 El huso mitótico bipolar se forma
mediante la estabilización selectiva de los
microtúbulos interactuantes.
Nuevos microtúbulos crecen en direcciones
aleatorias desde los dos centrosomas. Los dos
extremos de un microtúbulo, denominados extremos
(+) y (-), tienen propiedades diferentes y es el
extremo (-) el que se ancla en el centrosoma. Los
extremos (+) libres son “dinámicamente inestables”
y alternan en forma brusca entre un crecimiento
uniforme (flechas rojas que apuntan hacia fuera) y
un rápido acortamiento (flechas rojas que apuntan
hacia adentro).
Cuando dos microtúbulos de
centrosomas opuestos interactúan en una zona de
superposición las proteínas motoras y otras
proteínas asociadas con los microtúbulos, los unen
(puntos negros) de una manera que estabiliza sus
extremos (+) disminuyendo la probabilidad de
despolimerización.
El huso mitótico comienza a formarse en la profase
Como se explicó, al comienzo de la fase S la célula empieza a duplicar su centrosoma para
producir dos centrosomas hijos, que al principio permanecen juntos a un lado del núcleo.
Cuando se inicia la profase los dos centrosomas hijos se separan para organizar su propio
sistema de microtúbulos y comenzar a desplazarse hacia los polos opuestos de la célula
(véase fig. 19-5), impulsados, en parte, por proteínas motoras asociadas con los
microtúbulos que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para desplazarse a lo largo de los
microtúbulos.
Los microtúbulos, que crecen y se acortan rápidamente, se extienden en todas las
direcciones desde los dos centrosomas, para explorar el interior de la célula. Durante la
profase algunos de los microtúbulos que crecen un centrosoma interactúan con los
microtúbulos del otro centrosoma. Esta interacción estabiliza los microtúbulos, impide su
despolimerización y une los dos conjuntos de microtúbulos para formar el armazón básico
del huso mitótico, con su forma bipolar característica. Los dos centrosomas que dieron
origen a estos microtúbulos se denominan entonces polos del huso y los microtúbulos que
interactúan se llaman microtúbulos interpolares (véase fig. 19-7). El ensamblaje del huso es
promovido en parte por proteínas motoras asociadas con los microtúbulos interpolares que
ayudan al enlace cruzado de estos dos conjuntos de microtúbulos que forman el huso
mitótico
Las células vegetales carecen de centrosomas, pero construyen igualmente husos
mitóticos bipolares totalmente funcionales. El hecho de que lo hagan indica la importancia
de las proteínas motoras, y de los cromosomas propiamente dichos, en la formación del
huso. En las células sin centrosomas los cromosomas nuclean el ensamblaje de los
microtúbulos y las proteínas motoras desplazan y organizan los microtúbulos y los
cromosomas en un huso bipolar funcional. De esta manera se forman los husos en las
células vegetales y en las células animales que han sido inducidas a dividirse sin
centrosomas (véase fig. 19-8).
Fig.19-8 El huso mitótico bipolar se forma mediante la estabilización selectiva de los microtúbulos
interactuantes.
En estas microfotografías por fluorescencia del embrión del insecto Sciara los microtúbulos están teñidos de
verde y los cromosomas de rojo. La microfotografía superior muestra un huso normal formado con
centrosomas en un embrión que inició su desarrollo normalmente fertilizado. La microfotografía inferior
muestra un huso formado sin centrosomas en un embrión que inició su desarrollo sin fertilización y que por
esa razón carece de centrosoma habitualmente proporcionado por el espermatozoide cuando fertiliza al
óvulo. Obsérvese que el huso con centrosomas tiene un áster en cada polo, mientras que el huso formado sin
centrosomas no lo tiene. Ambos tipos de huso están capacitados para segregar los cromosomas replicados.
(De B. de Saint Phalle y W. Sullivan, 7. Ceil Biol. 141:1383-1391. ©The Rockefeller University Press.)
En la siguiente etapa de la mitosis los cromosomas replicados se adhieren al huso de tal
manera que cuando las cromátidas hermanas se separan son arrastradas hacia los polos
opuestos.
Durante la prometafase los cromosomas se adhieren al huso mitótico
La prometafase se inicia en forma repentina con la desorganización de la envoltura
nuclear, que se rompe en pequeñas vesículas de membrana. Como se explicará luego,
este proceso se desencadena por la fosforilación y el consiguiente desensamblaje de las
proteínas de los filamentos intermedios de la lámina nuclear, la red de proteínas fibrosas que
subyace y estabiliza la envoltura nuclear. Los microtúbulos del huso, que estaban
esperando afuera del núcleo, ahora tienen acceso a los cromosomas replicados y pueden
unirse a ellos.
Los extremos de los microtúbulos del huso se unen a los cromosomas por medio de
complejos proteicos especializados denominados cinetocoros, que se formaron sobre los
cromosomas condensados durante la profase tardía. Como se explicó, cada cromosoma
replicado está formado por dos cromátidas hijas unidas en toda su extensión y cada una
presenta un estrechamiento en una región con una secuencia especializada del DNA que
se denomina centrómero. Inmediatamente antes de la prometafase las proteínas del
cinetocoro forman un complejo de gran tamaño en cada centrómero. Por consiguiente,
cada cromosoma duplicado tiene dos cinetocoros (uno en cada cromátida hermana),
orientados en direcciones opuestas (véase fig. 19-9). La formación del cinetocoro depende
de la presencia de la secuencia del DNA del centrómero: en ausencia de esta secuencia
los cinetocoros no se forman y en consecuencia fracasa la segregación adecuada de los
cromosomas durante la mitosis.
Una vez rota la envoltura nuclear, un microtúbulo sonda que se encuentra por azar con un
cromosoma se une a él y lo captura. El microtúbulos finalmente se adhiere al cinetocoro y
pasa a denominarse microtúbulo del cinetocoro, que une el cromosoma con un polo del huso.
Como los cinetocoros de las cromátidas hermanas se orientan en direcciones opuestas
tienden a adherirse a microtúbulos de polos opuestos del huso, de manera que cada
cromosoma replicado queda unido a los dos polos del huso. El número de microtúbulos
adheridos a cada cinetocoro varía según las especies: cada cinetocoro humano se une a
entre 20 y 40 microtúbulos, por ejemplo, mientras que un cinetocoro de levadura se une a
uno solo. Las tres clases de microtúbulos que forman el huso mitótico se muestran en la
figura 19-13
Fig. 19-9 Los cinetocoros unen los cromosomas al huso mitótico.
(A) Microfotografía por fluorescencia de un cromosoma mitótico replicado. El DNA se tiñe con un colorante
fluorescente y los cinetocoros se tiñen de rojo con anticuerpos fluorescentes que reconocen a las proteínas
del cinetocoro. Estos anticuerpos provienen de pacientes con esclerodermia (una enfermedad que causa una
sobreproducción progresiva de tejido conectivo en la piel y otros órganos) que por razones desconocidas
producen anticuerpos contra sus propias proteínas cínetocóricas.
(B) Dibujo esquemático de un cromosoma mitótico que muestra sus dos cromátidas hermanas unidas a los
microtúbulos cinetocóricos, que se unen por sus extremos (+). Cada cinetocoro forma una placa sobre la
superficie del centrómero.
(A, cortesía de B. R. Brinkley.)
Fig. 19-13 Tres clases de microtúbulos constituyen el huso mitótico.
(A) Dibujo esquemático de un huso con los cromosomas unidos que muestra los tres tipos de microtúbulos del
huso: microtúbulos del áster, microtúbulos del cinetocoro y microtúbulos interpolares. Los cromosomas reales
son mucho más grandes y en general hay múltiples microtúbulos unidos a cada cinetocoro.
(B) Microfotografía por fluorescencia de los cromosomas en la placa metafásica de un huso mitótico real. En esta
imagen, los cinetocoros están teñidos de rojo, los microtúbulos de verde y los cromosomas de azul.
(B, de A. Desai, Curr. Biol. 10:R508, 2000. © Elsevier Science).
En la metafase los cromosomas se alinean en el ecuador del huso
Durante la prometafase los cromosomas unidos al huso mitótico comienzan a moverse de
un lado para el otro. Finamente se alinean en el ecuador del huso, a mitad de camino entre
ambos polos del huso, y de esa manera forman la placa metafásica. Esto define el comienzo
de la metafase (véase fig. 19-14). Aunque las fuerzas que actúan para trasladar los
cromosomas hasta el ecuador no se conocen bien, se cree que participan tanto el continuo
crecimiento y acortamiento de los microtúbulos como la acción de las proteínas motoras
asociadas con los microtúbulos. También se requiere un equilibrio continuo entre el
agregado y la pérdida de subunidades de tubulina para mantener el huso metafásico:
cuando el agregado de tubulina a los extremos de los microtúbulos se bloquea con el
fármaco colchicina la pérdida de tubulina continúa hasta que el huso desaparece.
Fig. 19-14 Durante la metafase los cromosomas se
reúnen a mitad de camino entre los dos polos del
huso.
Esta microfotografía por fluorescencia muestra múltiples
husos mitóticos durante la metafase en un embrión de
mosca de la fruta (Drosophila). Los microtúbulos están
teñidos de rojo y los cromosomas de verde. En este
estadio de desarrollo de Drosophila hay múltiples núcleos
en un gran compartimiento citoplasmático y todos los
núcleos se dividen de manera sincrónica, lo que explica
por qué todos los núcleos que se muestran aquí están en
la metafase. Aunque los husos metafásicos generalmente
se representan en dos dimensiones, como en esta figura,
cuando se los observa en tres dimensiones los cromosomas
se ven amontonados en una región con forma de placa en
el ecuador del huso: la denominada placa metafásica.
(Cortesía de William Sullivan.)
Los cromosomas situados en el ecuador del huso metafásico oscilan hacia adelante y hacia
atrás, ajustando continuamente sus posiciones, lo que indica que el tira y afloje entre los
microtúbulos unidos a cada polo del huso persiste aun después de que todos los
cromosomas se encuentran alineados. Si uno de los dos pares de uniones de los
cinetocoros sufre un daño con un rayo láser durante la metafase, todo el cromosoma se
desplaza de inmediato hacia el polo al que permanece unido. En forma similar, si se corta la
unión entre las cromátidas hermanas, éstas se separan y se desplazan hacia los polos
opuestos. Estos experimentos revelan que los cromosomas que se encuentran en la placa
metafásica se mantienen allí sometidos una considerable tensión. Evidentemente, las
fuerzas que finalmente arrastran y separan a las cromátidas hermanas comienzan a actuar
inmediatamente después de que los microtúbulos se unen a los cinetocoros.
Los cromosomas hijos se segregan en anafase
La anafase comienza abruptamente con la liberación de la unión con la cohesina que
mantenía juntas a las cromátidas hermanas (véase fig. 19-3A). Esto permite que cada
cromátida (ahora denominada cromosoma hijo) sea arrastrada gradualmente hacia el polo
del huso al que está unida (véase fig. 19-15). Este desplazamiento distribuye, es decir
segrega, dos conjuntos de cromosomas idénticos hacia los extremos opuestos del huso
mitótico.
La ruptura abrupta de la unión entre las dos cromátidas hermanas y la cohesina se
desencadena por la activación del complejo promotor de la anafase (APC), como se
explicará en siguiente capítulo. Una vez que este complejo proteolítico se activa, escinde una
proteína inhibidora, y de esa manera libera una enzima proteolítica que rompe la unión con la
cohesina (véase fig. 19-16).
Fig. 19-15 Las cromátidas hermanas se separan en la anafase.
En la transición de la metafase (A) a la anafase (B) las cromátidas hermanas (teñidas de oscuro) se
separan súbitamente y se desplazan hacia los polos opuestos, como se observa en estas células
vegetales teñidas con anticuerpos conjugados con oro para marcar los microtúbulos. Las células
vegetales en general carecen de centrosomas y por esa razón tienen polos huso menos nítidamente
definidos que las células animales (véase fig. 19-22E) pero aquí los polos del huso están presentes
en las partes superior je inferior de cada microfotografía, aunque no pueden verse. (Cortesía de
Andrew Bajer
Fig. 19-16 El complejo APC desencadena la
separación de las cromátidas hermanas al
promover la destrucción de las cohesinas.
El APC activado desencadena indirectamente la
separación de las cohesinas que mantienen unidas a
las cromátidas hermanas. Cataliza la ubiquitinación y
la destrucción de una proteína que inhibe la actividad
de una enzima proteolítica. Liberada de esta proteína
inhibitoria la enzima proteolítica degrada los
complejos de cohesina. Cuando las cohesinas se
disocian el huso mitótico está en condiciones de
arrastrar y separar a las dos cromátidas hermanas.
Una vez liberados todos los cromosomas hijos recién separados se desplazan hacia los
polos del huso a la misma velocidad, generalmente a razón de 1 µm por minuto. El
desplazamiento es consecuencia de dos procesos independientes mediados por partes
diferentes del huso mitótico. Estos procesos se denominan anafase A y anafase B y se
producen en forma más o menos simultánea. En la anafase A los microtúbulos del cinetocoro
se acortan por despolimerización y los cromosomas unidos a ellos se desplazan en
dirección al polo. En la anafase B los propios polos del huso se separan uno del otro y esto
contribuye todavía más a la segregación de los dos grupos de cromosomas hijos (véase
fig. 19-17).
Fig. 19-17 Dos procesos independientes separan las cromátidas hermanas durante la anafase
En la ANAFASE A los cromosomas hijos son arrastrados hacia los polos opuestos cuando los microtúbulos
cinetocóricos se despolimerizan en el cinetocoro. La fuerza que conduce este movimiento se genera
principalmente en el cinetocoro.
En la ANAFASE B los dos polos del huso se separan como resultado de dos fuerzas distintas:
a) el alargamiento y deslizamiento de los microtúbulos polares unos a otros empuja los dos polos a separarse
b) las fuerzas ejercidas hacia fuera por los microtúbulos del áster en cada polo del huso separan ambos polos y
los empujan hacia la periferia de la célula.
Se piensa que todas estas fuerzas dependen de la acción de proteínas motoras asociadas a los microtúbulos.
Se piensa que la fuerza que impulsa los desplazamientos en la anafase A se genera
principalmente por la acción de proteínas motoras asociadas con los microtúbulos que actúan
en el cinetocoro, ayudadas por la pérdida de subunidades de tubulina que se produce sobre
todo en el sitio en el que los microtúbulos del cinetocoro se unen a los cromosomas. La
pérdida de subunidades de tubulina en el cinetocoro depende de una catastrofina que está
unida tanto al microtúbulo como al cinetocoro y que utiliza la energía de la hidrólisis del ATP
para eliminar subunidades de tubulina del microtúbulo.
En la anafase B los microtúbulos interpolares superpuestos se alargan se deslizan uno sobre
el otro de modo que empujan los polos del huso y 1 dos grupos de cromosomas y los
separan aun más. Se piensa que las fuerzas que impulsan este proceso son generadas por
dos grupos de proteínas motoras -miembros de las familias de la cinesina y de la dineína-que
actúan sobre los microtúbulos del huso. Un grupo actúa sobre los largos microtúbulos
interpolares superpuestos que forman el huso propiamente dicho; estas proteínas motoras
determinan que los microtúbulos interpolares de los polos opuestos se deslicen unos sobre
otros en el ecuador del huso, lo que fuerza la separación de los polos. El otro grupo de
proteínas actúa sobre los microtúbulos del áster que se extienden desde los polos del huso y
se alejan del ecuador del huso hacia la periferia de la célula. Se piensa que estas proteínas
motoras están asociadas con la corteza de las células, que se extiende por debajo de la
membrana plasmática, y que empujan cada polo hacia la corteza adyacente y lo separan del
otro polo (véase fig. 19-17).
La envoltura nuclear se reconstruye en la telofase
Hacia el final de la anafase los cromosomas hijos se separaron en dos grupos iguales, uno
en cada polo del huso. Durante la telofase, la etapa final de la mitosis, se reorganiza una
envoltura nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas para formar los dos núcleos
hijos. En primer término se agrupan algunas vesículas de la membrana nuclear alrededor
de cada cromosoma y después se fusionan para reconstruir la envoltura nuclear. Durante
este proceso los poros nucleares se vuelven a formar en la envoltura, y las lamininas
nucleares, las subunidades proteicas de filamentos intermedios que se fosforilaron durante
la profase, se desfosforilan y reasocian para formar nuevamente la lámina nuclear (véase fig.
19-18). Una vez reconstruida la envoltura nuclear los poros bombean proteínas en el
interior del núcleo, el núcleo se expande y los cromosomas mitóticos condensados se
descondensan hasta recuperar su estado de inferfase. Como consecuencia de la
descondensación puede reanudarse la transcripción génica. Se formó un nuevo núcleo y
se completó la mitosis. Lo único que falta es que la célula complete su división en dos
células.
Fig. 19-18 La envoltura nuclear se desorganiza y reconstituye durante la mitosis
La fosforilación de las laminas contribuye a desencadenar el desensamblaje de la lámina nuclear en la
prometafase, que a su vez provoca que la envoltura nuclear se desorganice y forme vesículas. La
desfosforilación de las laminas en la telofase contribuye a invertir el proceso.
Algunos orgánulos se fragmentan durante la mitosis
El proceso de la mitosis asegura que cada célula hija reciba una dotación completa de
cromosomas pero cuando una célula eucarionte se divide cada célula hija también debe
heredar todos los otros componentes esenciales de la célula, incluidos los orgánulos
encerrados en la membrana.
Los orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos no pueden formar sus propios
componentes; solo se originan a partir del crecimiento y la división de los orgánulos
preexistentes. De la misma manera, las células no pueden producir un nuevo retículo
endoplasmático (RE) ni un nuevo aparato de Golgi a menos que alguna parte de ellos esté
presente, para que luego pueda aumentar de tamaño. ¿Cómo se segregan entonces estos
diferentes orgánulos cuando la célula se divide?
Los orgánulos como las mitocondrias y los cloroplastos generalmente están presentes en
gran cantidad y seguramente se heredarán en caso de que, simplemente, su número se
duplique con cada ciclo celular. En las células en interfase el RE se continúa con la
membrana nuclear y es organizado por los microtúbulos del citoesqueleto. Una vez que la
célula ingresa en la fase M la reorganización de los microtúbulos libera el RE, que se
fragmenta cuando se rompe la envoltura nuclear. Es probable que el aparato de Golgi
también se fragmente, aunque en algunas células parece que se distribuyera en forma
transitoria en el RE, para reaparecer recién en la telofase. Algunos de los fragmentos de los
orgánulos asociados con los microtúbulos del huso mediante las proteínas motoras se
trasladan a las células hijas cuando el huso mitótico se elonga en la anafase. Otros
componentes de la célula, incluidas todas las proteínas solubles, se heredan en forma
aleatoria cuando la célula divide su citoplasma en el estadio final de la fase M, que
analizaremos a continuación.
Citocinesis
La citocinesis, el proceso por el cual el citoplasma se escinde en dos, generalmente
comienza en la anafase pero no se completa hasta después de la formación de los dos
núcleos hijos. Mientras que la mitosis implica la formación de una estructura transitoria
basada en los microtúbulos, el huso mitótico, la citocinesis en las células animales implica la
participación de una estructura transitoria basada en filamentos de actina y de miosina, el
anillo contráctil (véase fig. 19-4). Sin embargo, tanto el plano de segmentación como la
cronología de la citocinesis están determinados por el huso mitótico.
El huso mitótico determina el plano de segmentación citoplasmático
El primer signo visible de la citocinesis en las células animales es la aparición de un
pliegue y luego un surco de la membrana plasmática que se producen durante la anafase
(véase fig. 19-19). El surco invariablemente se forma en un plano perpendicular al eje mayor
del huso mitótico. Esta posición asegura que el surco de segmentación corte la célula entre
los dos grupos de cromosomas hijos segregados, para que cada célula hija reciba una
dotación idéntica y completa de cromosomas. Si en el momento en que aparece el surco
de segmentación se desplaza deliberadamente el huso mitótico con una delgada aguja de
vidrio introducida en la célula, ese surco desaparece y se desarrolla una nueva en el sitio
correspondiente a la nueva localización y orientación del huso. Sin embargo, una vez
que el surco es lo suficientemente profundo la escisión continúa aunque el huso mitótico
se extraiga en forma artificial de la célula o se despolimerice mediante el fármaco
colchicina. El mecanismo responsable de que el huso mitótico determine la posición del
surco de segmentación sigue siendo un misterio.
Fig. 19-19. El surco de segmentación de la membrana plasmática se forma por la acción del anillo
contráctil subyacente.
En esta fotografía obtenida mediante microscopía electrónica de barrido de un huevo de rana fertilizado durante
su división el surco de segmentación se encuentra desacostumbradamente bien definido. (A) Imagen con poco
aumento de la superficie del huevo. (B) Imagen con mayor aumento del surco de segmentación. (De H. W. Beams
y R. G. Kessel, Am. So. 36:279-290, 1976. © Reproducida con autorización de American Stientist, revista de
Sigma Xi.)
Cuando el huso mitótico se localiza en la región central de la célula -la ubicación más
frecuente en la mayoría de las células que se dividen- las dos células hijas producidas son
del mismo tamaño. Sin embargo, durante el desarrollo embrionario hay casos en los que el
huso mitótico ocupa una posición asimétrica y en consecuencia el surco crea dos células de
diferente tamaño. En la mayoría de los casos, las células hijas resultantes también difieren
en las moléculas que heredan y generalmente evolucionan hasta convertirse en tipos
celulares diferentes. En esas divisiones asimétricas se requieren mecanismos especiales
para determinar la posición excéntrica del huso mitótico.
El anillo contráctil de las células animales está constituido por actina y miosina
El anillo contráctil está compuesto principalmente por una estructura de filamentos de actina y
filamentos de miosina superpuestos (véase fig. 19-20). Se forma durante la anafase y está
unido a proteínas asociadas con la membrana sobre la cara citoplasmática de la membrana
plasmática. Los mecanismos responsables de desencadenar el comienzo del ensamblaje
del anillo contráctil puede ejercer una fuerza lo bastante intensa como para doblar una aguja de
vidrio fina introducida en la célula antes de la citocinesis. Esta fuerza se genera por el
deslizamiento de los filamentos de actina contra los filamentos de miosina, como ocurre
durante la contracción muscular. Sin embargo, a diferencia del aparato contráctil del músculo,
el anillo contráctil es una estructura transitoria: se forma para llevar a cabo la citocinesis, va
disminuyendo paulatinamente de tamaño a medida que ésta progresa y se desorganiza por
completo una vez que la célula se dividió en dos.
La división de muchas células animales se acompaña de grandes modificaciones en la forma
de la célula y de una disminución de la adherencia de la célula a la matriz extracelular.
Estas modificaciones son resultado de la reorganización de los filamentos de actina y de
miosina en la corteza celular, uno de cuyos aspectos es la formación del anillo contráctil. Los
fibroblastos de mamíferos en cultivo, por ejemplo, durante la interfase están completamente
extendidos como resultado de los intensos contactos adhesivos que establecen con la
superficie sobre la que están creciendo, denominada sustrato. En cambio, cuando entran
en la fase M las células se redondean, por lo menos en parte, porque algunas de las
proteínas de la membrana plasmática responsables de la adherencia de las células al
sustrato -las integrinas- se fosforilan y en consecuencia su adherencia se debilita. Una vez
completada la citocinesis, las células hijas restablecen sus contactos con el sustrato y vuelven
a extenderse otra vez (véase fig. 19-21). Cuando las células se dividen en un tejido animal
este ciclo de adherencia y separación presumiblemente les permite reorganizar sus contactos
con las células vecinas y con la matriz extracelular, de manera que las nuevas células
producidas durante la división celular puedan acomodarse en el interior del tejido.
Fig. 19-20 El anillo contráctil divide a
la célula en dos.
(A) MEB de una célula animal en cultivo
en las últimas etapas de la división. (B)
Diagrama esquemático de la región
media de una célula similar que muestra
el anillo contráctil por debajo de la
membrana plasmático y los restos de
ambos conjuntos de microtúbulos
interpolares. (C) MET de una célula
animal en división. La escisión es casi
completa pera las células hijas
permanecen unidas por una estrecha
banda de citoplasma que contiene los
restos de los microtúbulos interpolares,
superpuestos del huso central. (A
cortesía de Guenter Albrecht, C, cortesía
de J. M. Mullins.)
Fig. 19-21 Las células animales cambian forma durante la fase M.
En estas microfotografías de un fibroblasto de ratón dividiéndose en cultivo, la misma célula fue fotografiada en
intervalos sucesivos. Obsérvese cómo se redondea cuando ingresa en la mitosis; las dos células hijas se extienden
y se aplanan nuevamente una vez que se completa la citocinesis. (Cortesía de Guenter Albrecht-Buehler.)
La citocinesis en las células vegetales implica la formación de una pared celular
nueva
El mecanismo responsable de la citocinesis en los vegetales superiores es completamente diferente
del observado en las células animales, supuestamente porque las células vegetales están rodeadas
por una pared celular resistente. Las dos células hijas no se separan por la acción de un anillo
contráctil situado en la superficie de la célula sino por la formación de una pared nueva en el interior
celular. La pared celular en crecimiento está rodeada por una membrana y aumenta progresivamente
de tamaño hasta que divide el citoplasma en dos. La posición de esta nueva pared determina con
precisión la localización de las dos células hijas en relación con las células vecinas. De esta manera, los
planos de la división celular, junto con el aumento de tamaño de la célula, determinan la forma definitiva
de la planta.
Fig.19-22 La citocinesis de una célula vegetal es guiada por una estructura
especializada basada en los microtúbulos que se denomina fragmoplasto.
La pared celular nueva comienza a ensamblarse en el citoplasma entre los dos grupos de cromosomas
segregados al comienzo de la telofase. El proceso de ensamblaje es guiado por una estructura que se
denomina fragmoplasto y que está formada por los restos de los microtúbulos interpolares en el
ecuador del antiguo huso mitótico. Pequeñas vesículas de membrana, en su mayor parte derivadas
del aparato de Golgi y llenas de los polisacáridos y proteínas requeridos por la matriz de la pared
celular, son transportadas a lo largo de los microtúbulos hasta el ecuador del fragmoplasto.
Una vez allí se fusionan para formar una estructura de membrana con forma de disco que se
expande hacia afuera con nuevas fusiones de vesículas hasta que alcanza la membrana
plasmática y la pared celular original y divide la célula en dos (véase fig. 19-22). Más tarde se
depositan dentro de la matriz fibrillas de celulosa para completar la construcción de la nueva
pared celular.
Tomado y modificado de
ALBERTS. B. − HOPKIN K. – JOHNSON A. − LEWIS J. −RAFF M. −ROBERTS K. −WALTER P.
Introducción a la Biología Celular, 2ª edición−2006