Los eucariotas tienen dos tipos principales de división celular: la mitosis y la meiosis. La mitosis se utiliza para producir nuevas células corporales para el crecimiento y la curación, mientras que la meiosis se utiliza para producir células sexuales (óvulos y espermatozoides). La meiosis se tratará en un capítulo posterior.
El ciclo celular es una serie ordenada de acontecimientos que implican el crecimiento y la división celular que produce dos nuevas células hijas mediante la mitosis. La duración del ciclo celular es muy variable incluso dentro de las células de un mismo organismo. En los seres humanos, la frecuencia del recambio celular oscila entre unas pocas horas en el desarrollo embrionario temprano y una media de dos a cinco días en el caso de las células epiteliales, o toda una vida humana sin dividirse en células especializadas como las neuronas corticales o las células musculares cardíacas. También hay variaciones en el tiempo que una célula pasa en cada fase del ciclo celular. Cuando las células de mamíferos que se dividen rápidamente se cultivan (fuera del cuerpo en condiciones óptimas de crecimiento), la duración del ciclo es de aproximadamente 24 horas. El calendario de eventos en el ciclo celular está controlado por mecanismos internos y externos a la célula.
Las células en el camino hacia la división celular proceden a través de una serie de etapas de crecimiento, replicación del ADN y división cuidadosamente reguladas y cronometradas que producen dos células genéticamente idénticas. El ciclo celular tiene dos fases principales: la interfase y la fase mitótica (Figura 1). Durante la interfase, la célula crece y el ADN se replica. Durante la fase mitótica, el ADN replicado y el contenido citoplasmático se separan y la célula se divide.
Durante la interfase, la célula experimenta procesos normales mientras se prepara para la división celular. Para que una célula pase de la interfase a la fase mitótica, deben cumplirse muchas condiciones internas y externas. Las tres etapas de la interfase se denominan G1, S y G2.
Fase G1 (primera brecha)
La primera etapa de la interfase se denomina fase G1 (primera brecha) porque, desde un aspecto microscópico, se aprecian pocos cambios. Sin embargo, durante la fase G1, la célula es bastante activa a nivel bioquímico. La célula está acumulando los bloques de construcción del ADN cromosómico y las proteínas asociadas, así como acumulando suficientes reservas de energía para completar la tarea de replicar cada cromosoma en el núcleo.
Fase S (Síntesis del ADN)
A lo largo de la interfase, el ADN nuclear permanece en una configuración de cromatina semicondensada. En la fase S, la replicación del ADN puede proceder a través de los mecanismos que dan lugar a la formación de pares idénticos de moléculas de ADN -cromátidas hermanas- que están firmemente unidas a la región centromérica (Figura 2).
El centrosoma también se duplica durante la fase S. Los dos centrosomas darán lugar al huso mitótico, el aparato que orquesta el movimiento de los cromosomas durante la mitosis. En el centro de cada célula animal, los centrosomas de las células animales están asociados a un par de objetos parecidos a varillas, los centriolos, que se encuentran en ángulo recto entre sí. Los centríolos ayudan a organizar la división celular. Los centríolos no están presentes en los centrosomas de otras especies eucariotas, como las plantas y la mayoría de los hongos.
Fase G2 (Segunda Brecha)
En la fase G2, la célula repone sus reservas de energía y sintetiza las proteínas necesarias para la manipulación de los cromosomas. Algunos orgánulos celulares se duplican y el citoesqueleto se desmantela para proporcionar recursos para la fase mitótica. Puede haber un crecimiento celular adicional durante G2. Los preparativos finales para la fase mitótica deben completarse antes de que la célula pueda entrar en la primera etapa de la mitosis.
La fase mitótica
Para formar dos células hijas, el contenido del núcleo y el citoplasma deben dividirse. La fase mitótica es un proceso de varios pasos durante el cual los cromosomas duplicados se alinean, se separan y se trasladan a polos opuestos de la célula, y luego la célula se divide en dos nuevas células hijas idénticas. La primera parte de la fase mitótica, la mitosis, se compone de cinco etapas que llevan a cabo la división nuclear (Figura 5). La segunda parte de la fase mitótica, denominada citocinesis, es la separación física de los componentes citoplasmáticos en dos células hijas. Aunque las etapas de la mitosis son similares para la mayoría de los eucariotas, el proceso de citocinesis es muy diferente para los eucariotas que tienen paredes celulares, como las células vegetales.
Profase
Durante la profase, la «primera fase», la envoltura nuclear comienza a disociarse en pequeñas vesículas, y los orgánulos membranosos (como el aparato de Golgi y el retículo endoplásmico), se fragmentan y dispersan hacia los bordes de la célula. El nucléolo desaparece. Los centrosomas comienzan a desplazarse hacia los polos opuestos de la célula. Los microtúbulos que formarán el huso mitótico se extienden entre los centrosomas, alejándolos a medida que las fibras microtubulares se alargan. Las cromátidas hermanas comienzan a enrollarse con más fuerza con la ayuda de las proteínas condensinas y se hacen visibles bajo el microscopio de luz.
Prometafase
Durante la prometafase, la «primera fase de cambio», muchos procesos que se iniciaron en la profase continúan avanzando. Los restos de la envoltura nuclear se fragmentan. El huso mitótico continúa desarrollándose a medida que se ensamblan más microtúbulos y se extienden a lo largo de la antigua zona nuclear. Los cromosomas se vuelven más condensados y discretos. Cada cromátida hermana desarrolla una estructura proteica llamada cinetocoro en la región centromérica.
Las proteínas del cinetocoro atraen y se unen a los microtúbulos del huso mitótico. A medida que los microtúbulos del huso se extienden desde los centrosomas, algunos de estos microtúbulos entran en contacto con los cinetocoros y se unen firmemente a ellos. Una vez que una fibra mitótica se une a un cromosoma, éste se orienta hasta que los cinetocoros de las cromátidas hermanas se orientan hacia los polos opuestos. Finalmente, todas las cromátidas hermanas se unirán a través de sus cinetocoros a los microtúbulos de polos opuestos. Los microtúbulos del huso que no se unen a los cromosomas se denominan microtúbulos polares. Estos microtúbulos se superponen a medio camino entre los dos polos y contribuyen a la elongación celular. Los microtúbulos astrales están situados cerca de los polos, ayudan a la orientación del huso y son necesarios para la regulación de la mitosis.
Metafase
Durante la metafase, la «fase de cambio», todos los cromosomas se alinean en un plano llamado placa de metafase, o plano ecuatorial, a medio camino entre los dos polos de la célula. Las cromátidas hermanas todavía están fuertemente unidas entre sí por las proteínas cohesinas. En este momento, los cromosomas se encuentran en su máxima condensación.
Anafase
Durante la anafase, la «fase ascendente», las proteínas de cohesina se degradan y las cromátidas hermanas se separan en el centrómero. Cada cromátida, ahora llamada cromosoma, es arrastrada rápidamente hacia el centrosoma al que está unido su microtúbulo. La célula se vuelve visiblemente alargada (con forma ovalada) a medida que los microtúbulos polares se deslizan unos contra otros en la placa de la metafase, donde se superponen.
Telofase
Durante la telofase, la «fase de distancia», los cromosomas alcanzan los polos opuestos y comienzan a descondensarse (desenredarse), relajándose en una configuración de cromatina. Los husos mitóticos se despolimerizan en monómeros de tubulina que se utilizarán para ensamblar los componentes del citoesqueleto de cada célula hija. Se forman envolturas nucleares alrededor de los cromosomas y aparecen nucleosomas dentro del área nuclear.
Citocinesis
La citocinesis, o «movimiento celular», es la segunda etapa principal de la fase mitótica durante la cual se completa la división celular mediante la separación física de los componentes citoplasmáticos en dos células hijas. La división no se completa hasta que los componentes celulares se han dividido y separado completamente en las dos células hijas. Aunque las etapas de la mitosis son similares para la mayoría de los eucariotas, el proceso de citocinesis es bastante diferente para los eucariotas que tienen paredes celulares, como las células vegetales.
En células como las animales que carecen de paredes celulares, la citocinesis sigue al inicio de la anafase. Un anillo contráctil compuesto por filamentos de actina se forma justo dentro de la membrana plasmática en la antigua placa metafásica (Figura 12). Los filamentos de actina tiran del ecuador de la célula hacia dentro, formando una fisura. Esta fisura, o «grieta», se denomina surco de clivaje. El surco se profundiza a medida que el anillo de actina se contrae y, finalmente, la membrana se divide en dos.
En las células vegetales, debe formarse una nueva pared celular entre las células hijas. Durante la interfase, el aparato de Golgi acumula enzimas, proteínas estructurales y moléculas de glucosa antes de romperse en vesículas y dispersarse por la célula en división (Figura 12). Durante la telofase, estas vesículas de Golgi se transportan sobre microtúbulos para formar un fragmoplasto (una estructura vesicular) en la placa de la metafase. Allí, las vesículas se fusionan y se unen desde el centro hacia las paredes celulares; esta estructura se denomina placa celular. A medida que se fusionan más vesículas, la placa celular se agranda hasta fusionarse con las paredes celulares en la periferia de la célula. Las enzimas utilizan la glucosa que se ha acumulado entre las capas de la membrana para construir una nueva pared celular. Las membranas de Golgi se convierten en partes de la membrana plasmática a ambos lados de la nueva pared celular.
Resumen de la mitosis y la citocinesis
Figura 13 La mitosis se divide en cinco etapas-profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. Las imágenes de la parte inferior se tomaron mediante microscopía de fluorescencia de células teñidas artificialmente con colorantes fluorescentes: la fluorescencia azul indica el ADN (cromosomas) y la verde los microtúbulos (aparato fusiforme). (crédito «dibujos de mitosis»: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal; crédito «micrografías»: modificación del trabajo de Roy van Heesbeen; crédito «micrografía de citocinesis»: Wadsworth Center/Departamento de Salud del Estado de Nueva York; datos de la barra de escala de Matt Russell)
Fase G0
No todas las células se adhieren al patrón clásico del ciclo celular en el que una célula hija recién formada entra inmediatamente en la interfase, seguida de cerca por la fase mitótica. Las células en la fase G0 no se están preparando activamente para dividirse. La célula se encuentra en una fase quiescente (inactiva), habiendo salido del ciclo celular. Algunas células entran temporalmente en G0 hasta que una señal externa desencadena el inicio de G1. Otras células que nunca o raramente se dividen, como el músculo cardíaco maduro y las células nerviosas, permanecen en G0 permanentemente).