Mitosis: fases y sus características, funciones, y organismos

La mitosis es un proceso de división celular, donde una célula produce células hijas genéticamente idénticas; por cada célula se generan dos “hijas” con la misma carga cromosómica. Esta división se lleva a cabo en las células somáticas de los organismos eucariotas.

Este proceso es una de las etapas del ciclo celular de los organismos eucariontes, el cual está comprendido en 4 fases: S (síntesis de ADN), M (división celular), G1 y G2 (fases intermedias donde se producen los mRNAs y proteínas). En conjunto, las fases G1, G2, y S, se consideran como una interfase. La división nuclear y citoplasmática (mitosis y citocinesis) conforman la última etapa del ciclo celular.

Visión general de la mitosis. Fuente: Viswaprabha [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

A nivel molecular, la mitosis se inicia por la activación de una quinasa (proteína) llamada MPF (Maturation Promoting Factor) y la consecuente fosforilación de un número importante de proteínas componentes de la célula. Esto último permite que la célula presente los cambios morfológicos necesarios para llevar a cabo el proceso de división.

La mitosis es un proceso asexual, ya que la célula progenitora y sus hijas tienen exactamente la misma información genética. Estas células se conocen como diploides por llevar la carga cromosómica completa (2n).

La meiosis, en cambio, es el proceso de división celular que da lugar a la reproducción sexual. En dicho proceso, una célula madre diploide replica sus cromosomas y luego se divide dos veces seguidas (sin replicar su información genética). Finalmente se generan 4 células hijas con solo la mitad de la carga cromosómica, que se llaman haploides (n).

Generalidades de la mitosis

La mitosis en organismos unicelulares generalmente produce células hijas muy parecidas a sus progenitoras. En contraste, durante el desarrollo de los seres pluricelulares, este proceso puede originar dos células con algunas características diferentes (a pesar de ser genéticamente idénticas).

Esta diferenciación celular da origen a los distintos tipos celulares que conforman a los organismos pluricelulares.

Durante la vida de un organismo, el ciclo celular ocurre continuamente, formando constantemente células nuevas que a su vez, crecen y se preparan para dividirse a través de la mitosis.

El crecimiento y la división celular están regulados por mecanismos, como la apoptosis (muerte celular programada), que permiten mantener un balance, evitando el crecimiento en exceso de los tejidos. De esta forma se asegura que las células defectuosas sean reemplazadas por nuevas células, según los requerimientos y necesidades del organismo.

¿Qué relevancia tiene este proceso?

La capacidad de reproducirse es una de las características más importantes de todos los organismos (desde unicelulares hasta pluricelulares) y de las células que lo componen. Esta cualidad permite asegurar la continuidad de su información genética.

La comprensión de los procesos de mitosis y meiosis, han tenido un papel fundamental para entender las intrigantes características celulares de los organismos. Por ejemplo, la propiedad de mantener constante el número de cromosomas de una célula a otra dentro de un individuo, y entre individuos de una misma especie.

Cuando sufrimos algún tipo de corte o herida en nuestra piel, observamos como en cuestión de días la piel dañada se recupera. Esto ocurre gracias al proceso de mitosis.

Fases y sus características

En general, la mitosis sigue la misma secuencia de procesos (fases) en todas las células eucariotas. En dichas fases ocurren muchos cambios morfológicos en la célula. Entre ellos la condensación de los cromosomas, ruptura de la membrana nuclear, separación de la célula de la matriz extracelular y de otras células, y la división del citoplasma.

En algunos casos, se considera la división nuclear y la división citoplasmática como fases distintas (mitosis y citocinesis, respectivamente).

Para un mejor estudio y comprensión del proceso, se han designado seis (6) fases, llamadas: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase, considerándose entonces la citocinesis como una sexta fase, que comienza a desarrollarse durante la anafase.

La telofase es la última fase de la mitosis. Tomado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitosepanel.jpg. Vía Wikimedia Commons

Estas fases han sido estudiadas desde el siglo XIX a través del microscopio de luz, por lo que hoy en día son fácilmente reconocibles según las características morfológicas que presenta la célula, como la condensación cromosómica, y la formación del huso mitótico.

Profase

Profase. Leomonaci98 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

La profase es la primera manifestación visible de la división celular. En esta fase se puede apreciar la aparición de los cromosomas como formas distinguibles, debido a la compactación progresiva de la cromatina. Esta condensación de los cromosomas comienza con la fosforilación de las moléculas de Histona H1 por la quinasa MPF.

El proceso de condensación consiste en la contracción y por tanto la reducción de la magnitud de los cromosomas. Esto ocurre debido al enrollamiento de las fibras de cromatinas, produciendo estructuras más fácilmente desplazables (cromosomas mitóticos).

Los cromosomas duplicados previamente durante el período S del ciclo celular, adquieren una apariencia de doble filamento, llamadas cromátides hermanas, dichos filamentos se mantienen unidos a través de una región llamada centrómero. En esta fase desaparecen también los nucléolos.

Formación del huso mitótico

By Silvia3 [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

Durante la profase se forma el huso mitótico, constituido por microtúbulos y proteínas que conforman un conjunto de fibras.

A medida que se forma el huso, se van desensamblando los microtúbulos del citoesqueleto (por desactivación de las proteínas que mantienen su estructura), proporcionando el material necesario para la formación de dicho huso mitótico.

El centrosoma (un orgánulo sin membrana, funcional en el ciclo celular), duplicado en la interfase, actúa como la unidad de ensamble de los microtúbulos del huso. En las células animales, el centrosoma posee en el centro, un par de centriolos; pero estos están ausentes en la mayoría de células vegetales.

Los centrosomas duplicados, se comienzan a separar uno de otro mientras se ensamblan los microtúbulos del huso en cada uno de ellos, comenzando a migrar hacia extremos opuestos de la célula.

Al final de la profase, comienza la ruptura de la envoltura nuclear, ocurriendo en procesos separados: el desensamble del poro nuclear, la lámina nuclear y las membranas nucleares. Esta rotura permite que el huso mitótico y los cromosomas comiencen a interactuar.

Prometafase

Leomonaci98 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

En esta etapa, se ha fragmentado por completo la envoltura nuclear, por lo que los microtúbulos del huso invaden ésta área, interactuando con los cromosomas. Los dos centrosomas se han separado, ubicándose cada uno en los polos del huso mitótico, en extremos opuestos de las células.

Ahora, el huso mitótico comprende los microtúbulos (que se extienden desde cada centrosoma hacia al centro de la célula), los centrosomas, y un par de ásteres (estructuras con distribución radial de microtúbulos cortos, que se despliegan desde cada centrosoma).

Las cromátides desarrollaron cada una, una estructura proteica especializada, llamada cinetocoro, ubicados en el centrómero. Estos cinetocoros se ubican en direcciones opuestas y en ellos se adhieren algunos microtúbulos, denominados microtúbulos del cinetocoro.

Estos microtúbulos adheridos al cinetocoro, comienzan a mover al cromosoma desde el extremo del cual se extienden; unos desde un polo y otros del polo contrario. Se crea así un efecto de “tira y encoge” que al estabilizarse, permite que el cromosoma termine ubicado entre los extremos de la célula.

Metafase

Metafase
Cromosomas alineados en la placa ecuatorial de la celula durante la metafase mitotica

En la metafase, los centrosomas se ubican en extremos opuestos de las células. El huso muestra una estructura clara, en cuyo centro están ubicados los cromosomas. Los centrómeros de dichos cromosomas están fijados a las fibras y alineados en un plano imaginario llamado placa metafásica.

Los cinetocoros de las cromátides siguen unidos a los microtúbulos del cinetocoro. Los microtúbulos que no se adhieren a los cinetocoros y se extienden desde polos opuestos del huso, interactúan ahora entre sí. En este punto los microtúbulos provenientes de los ásteres están en contacto con la membrana plasmática.

Este crecimiento e interacción de microtúbulos, completa la estructura del huso mitótico, y le confieren una apariencia tipo “jaula de pájaro”.

Morfológicamente, esta fase es la que aparenta menos cambios, por lo que se llegó a considerar como una fase de reposo. Sin embargo, aunque no son fácilmente apreciables, en ella ocurren muchos procesos importantes, además de ser la etapa más larga de la mitosis.

Anafase

Fuente: Leomonaci98 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

Durante la anafase, cada par de cromátides comienza a separarse (por la inactivación de las proteínas que las mantienen juntas). Los cromosomas separados se desplazan hacia extremos opuestos de la célula.

Este movimiento de migración, se debe a que los microtúbulos del cinetocoro de acortan, generando un efecto de “tirón” que hace que cada cromosoma se desplace, desde su centrómero. Dependiendo de la ubicación del centrómero en el cromosoma, éste puede tomar durante su desplazamiento una forma particular como de V o J.

Los microtúbulos no adheridos al cinetocoro, crecen y se alargan por adhesión de tubulina (proteína) y por la acción de proteínas motoras que se desplazan sobre ellos, permitiendo que el contacto entre estos se detenga. A medida que se alejan unos de otros, los polos del huso también lo hacen, alargando la célula.

Al final de esta fase, los grupos de cromosomas están ubicados en extremos opuestos del huso mitótico, por lo que cada extremo de la célula queda con un conjunto completo y equivalente de cromosomas.

Telofase

Telofase. Leomonaci98 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

La telofase es la última fase de la división nuclear. Se desintegran los microtúbulos del cinetocoro mientras que los microtúbulos polares se alargan aún más.

Se comienza a formar la membrana nuclear alrededor de cada juego de cromosomas, usando las envolturas nucleares de la célula progenitora, que estaban como vesículas en el citoplasma.

En esta etapa, los cromosomas que están en los polos celulares, se descondensan por completo debido a la defosforilación de las moléculas de histona (H1). La formación de los elementos de la membrana nuclear está dirigida por varios mecanismos.

Durante la anafase, se comenzaron a defosforilar muchas de las proteínas fosforiladas en la profase. Esto permite que al comienzo de la telofase, las vesículas nucleares comiencen a re-ensamblarse, asociándose con la superficie de los cromosomas.

Por otro lado el poro nuclear se re-ensambla permitiendo el bombeo de proteínas nucleares. Las proteínas de la lámina nuclear se defosforilan, permitiendo que se asocien de nuevo, para completar la formación de dicha lámina nuclear.

Finalmente, luego de que los cromosomas están completamente descondensados, se reinicia la síntesis de ARN, formando nuevamente los nucléolos y completando así la formación de los nuevos núcleos interfásicos de las células hijas.

Citocinesis

Ilustración de la citocinesis o división celular.

La citocinesis se toma como un evento separado de la división nuclear, y comúnmente en células típicas, el proceso de división citoplasmática acompaña cada mitosis, comenzando en la anafase. Varios estudios han demostrado que en algunos embriones, ocurren múltiples divisiones nucleares antes de la división citoplasmática.

El proceso comienza con la aparición de un surco o hendidura que se marca en el plano de la placa metafásica, asegurando que la división ocurra entre los grupos de cromosomas. El lugar de la hendidura lo indica el huso mitótico específicamente, los microtúbulos de los ásteres.

En la hendidura marcada se encuentran una serie de microfilamentos formando un anillo dirigido hacia el lado citoplasmático de la membrana celular, compuesto en gran parte por actina y miosina. Estas proteínas interactúan entre sí permitiendo la contracción del anillo alrededor del surco.

Esta contracción es generada por el deslizamiento de los filamentos de estas proteínas, al interactuar entre sí, del mismo modo en que lo hacen por ejemplo en los tejidos musculares.

La contracción del anillo se profundiza ejerciendo un efecto de “pinzamiento” que finalmente divide a la célula progenitora, permitiendo la separación de las células hijas, con sus contenidos citoplasmáticos en desarrollo.

Citocinesis en células vegetales

Las células vegetales poseen una pared celular, por lo que su proceso de división citoplasmática es distinto al descrito previamente y comienza en la telofase.

La formación de una nueva pared celular comienza al ensamblarse los microtúbulos del huso residual, constituyendo el fragmoplasto. Ésta estructura cilíndrica se conforma por dos juegos de microtúbulos que se conectan en sus extremos, y cuyos polos positivos se incrustan en una placa electrónica en el plano ecuatorial.

Unas vesículas pequeñas procedentes del aparato de Golgi, repletas de precursores de la pared celular, se desplazan a través de los microtúbulos del fragmoplasto hasta la región ecuatorial, combinándose para formar una placa celular. El contenido de las vesículas se segrega en esta placa a medida que crece.

Dicha placa crece, fusionándose con la membrana plasmática a lo largo del perímetro celular. Esto ocurre por el reordenamiento constante de los microtúbulos del fragmoplasto en la periferia de la placa, permitiendo que más vesículas se muevan hacia este plano y vacíen su contenido.

De esta forma ocurre la separación citoplasmática de las células hijas. Finalmente el contenido de la placa celular junto a las microfibras de celulosa dentro de ella, permite completar la formación de la nueva pared celular.

Funciones

La mitosis es un mecanismo de división en las células, y forma parte de una de las fases del ciclo celular en eucariotas. De una forma sencilla, podemos decir que la función principal de este proceso es la reproducción de una célula en dos células hijas.

Para los organismos unicelulares, la división celular significa la generación de nuevos individuos, mientras que para los organismos pluricelulares este proceso forma parte del crecimiento y correcto funcionamiento del organismo completo (la división celular genera el desarrollo de tejidos y mantenimiento de estructuras).

El proceso de mitosis se activa según los requerimientos del organismo. En los mamíferos, por ejemplo, los glóbulos rojos (eritrocitos) comienzan a dividirse formando más células, cuando el organismo necesita una mejor captación de oxígeno. Del mismo modo, los glóbulos blancos (leucocitos) se reproducen cuando es necesario combatir una infección.

En contraste, algunas células animales especializadas, prácticamente carecen del proceso de mitosis o es muy lento. Ejemplo de ello son las células nerviosas y células musculares).

Por lo general, son células que forman parte del tejido conectivo y estructural del organismo y cuya reproducción es necesaria solamente cuando alguna célula presenta algún defecto o deterioro y necesita ser reemplazada.

Regulación del crecimiento y división celular.

El sistema de control de crecimiento y división celular, es mucho más complejo en organismos pluricelulares que en los unicelulares. En estos últimos la reproducción se ve limitada básicamente por la disponibilidad de recursos.

En las células animales, la división está detenida hasta que exista una señal positiva que active este proceso. Esta activación proviene en forma de señales químicas de las células vecinas. Esto permite prevenir el crecimiento ilimitado de tejidos, y la reproducción de células defectuosas, que puedan perjudicar gravemente la vida del organismo.

Uno de los mecanismos que controlan la multiplicación celular es la apoptosis, donde una célula muere (por la producción de ciertas proteínas que activan la auto-destrucción) si presenta un daño considerable o es infectada por un virus.

También existe la regulación del desarrollo celular a través de la inhibición de factores de crecimiento (como proteínas). Así las células permanecen en la interfase, sin proceder a la fase M del ciclo celular.

Organismos que la llevan a cabo

El proceso de la mitosis se lleva a cabo en la inmensa mayoría de células eucariotas, desde organismos unicelulares como la levadura, que lo emplean como proceso de reproducción asexual, hasta organismos pluricelulares complejos como plantas y animales.

Aunque en general, el ciclo celular es igual para todas las células eucarióticas, existen notables diferencias entre los organismos unicelulares y pluricelulares. En los primeros, el crecimiento y división de las células está favorecido por la selección natural. En los organismos pluricelulares, la proliferación se limita por mecanismos de control estrictos.

En los organismos unicelulares la reproducción se da de forma acelerada, ya que el ciclo celular opera de forma constante y las células hijas se embarcan rápidamente hacia la mitosis para continuar con dicho ciclo. Mientras que a las células de organismos pluricelulares les toma considerablemente más tiempo crecer y dividirse.

Existen también algunas diferencias entre los procesos mitóticos de las células vegetales y animales, como en algunas de las fases de dicho proceso, sin embargo, en principio, el mecanismo opera de forma similar en estos organismos.

División celular en células procariotas

Célula procariota

Por lo general, las células procariotas crecen y se dividen a un ritmo más acelerado que las células eucariotas.

Los organismos con células procariotas (generalmente unicelulares o en algunos casos multicelulares) carecen de una membrana nuclear que aísle el material genético dentro de un núcleo, por lo que éste se encuentra disperso en la célula, en un área llamada nucleoide. Estas células presentan un cromosoma principal circular.

La división celular en estos organismos es entonces mucho más directa que en las células eucariotas, careciendo del mecanismo descrito (mitosis). En ellos la reproducción se lleva a cabo por un proceso llamado fisión binaria, donde la replicación del ADN comienza en un sitio específico del cromosoma circular (origen de replicación u OriC).

Se forman entonces dos orígenes que migran hacia lados opuestos de la célula a medida que ocurre la replicación, y la célula se estira hasta alcanzar el doble de su tamaño. Al finalizar la replicación, la membrana celular crece hacia el interior del citoplasma, dividiendo la célula progenitora en dos hijas con el mismo material genético.

Evolución de la mitosis

La evolución de las células eucariotas, trajo consigo el incremento de complejidad en el genoma. Esto implicó el desarrollo de mecanismos de división más elaborados.

¿Qué antecedió a la mitosis?

Existen hipótesis que plantean que la división bacteriana es el mecanismo predecesor de la mitosis. Se ha encontrado cierta relación entre las proteínas asociadas a la fisión binaria (que pueden ser las que anclan los cromosomas a sitios específicos de la membrana plasmática de las hijas) con la tubulina y actina de las células eucariotas.

Algunos estudios señalan ciertas particularidades en la división de protistas unicelulares modernos. En ellos la membrana nuclear permanece intacta durante la mitosis. Los cromosomas replicados permanecen anclados a ciertos sitios de esta membrana, separándose cuando el núcleo comienza a estirarse durante la división celular.

Esto muestra cierta coincidencia con el proceso de la fisión binaria, donde los cromosomas replicados se fijan a ciertos lugares de la membrana celular. La hipótesis plantea entonces que los protistas que presentan esta cualidad durante su división celular, podrían haber mantenido esta característica de una célula ancestral de tipo procariota.

En la actualidad, aún no se han desarrollado explicaciones del por qué en las células eucariotas de organismos pluricelulares es necesario que la membrana nuclear se desintegre durante el proceso de división celular.

Referencias

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