Tema 5: Funciones de las biomoléculas
BIOMOLÉCULAS Y LA CÉLULA
1. Biomoléculas: carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, vitaminas, agua, sales minerales.
Las biomoléculas son un conjunto de elementos que cumplen funciones muy importantes en la actividad celular. Los principales son: Carbohidratos, Lípidos, Proteínas, Agua y Sales minerales. Estos cinco componentes son descritos en el Cuadro 1 de acuerdo a sus clasificaciones, características químicas, funciones, importancia y fuentes de adquisición.
Cuadro 1. Biomoléculas, clasificación, características, funciones e importancia
2. Teoría celular e historia : postulados de la teoría celular
El invento del microscopio permitió la primera vista de las células. El físico inglés Robert Hooke (1635–1702) describió las células por primera vez en 1665. Con delgados cortes de corcho puestos bajo el microscopio, Hooke logró observar las celdillas vacías que se repetían, las llamó “células.” Hooke nunca dio indicación que él creyera que las células fueran la unidad básica de los organismos vivos.
Posteriormente, Marcello Malpighi (1628–1694) junto al colega de Hooke, Nehemia Grew (1641–1712), realizaron estudios detallados de las células de plantas y establecieron que existían estructuras celulares. Grew asemejó los espacios celulares con las burbujas de gas que se forman en el pan cuando se está horneando y propuso que se podrían formar en un proceso similar. Los detalles de las células animales se conocieron posteriormente debido a la dificultad de preparar cortes lo suficientemente finos para verlos bajo el microscopio. La visión que prevalecía en el tiempo de Hooke era que los animales estaban compuestos de varios tipos de fibras y que las diferentes propiedades de las mismas explicaban los diferentes tipos de tejidos.
En esos tiempos, los biólogos estaba convencidos que los organismos estaban compuestos de algún tipo de unidad fundamental, y esa visión “atomística” los llevó a la búsqueda. La evolución del microscopio jugó un papel muy importante en este proceso.
En 1676, el microscopista holandés Antony van Leewenhoek (1632–1723) publicó sus observaciones sobre organismos de una célula o como él los llamó, “pequeños animálculos.” Es posible que Leewenhoek fue la primera persona en observar un glóbulo rojo y un espermatozoide. Él hizo muchas y detalladas observaciones sobre los microorganismos, pero pasaron más de cien años para que se hiciera una conexión entre la estructura celular de estas creaturas y la existencia de células en los animales y las plantas.
En 1824 el francés Henri Milne-Edwards indicó que la estructura básica de todos los tejidos animales era una formación de “glóbulos”, aunque debido a su insistencia en el tamaño uniforme de estos glóbulos, hizo dudar de sus observaciones. Henri Dutrochet (1776–1824) hizo explicita la relación entre las células de las plantas y de los animales y propuso que la célula no era solo una unidad estructural sino que también fisiológica. El propuso que las células nuevas surgen desde dentro de las viejas. Esta opinión fue compartida por su contemporáneo Francois Raspail (1749–1878). De hecho, Raspail fue el primero en afirmar uno de los dos principales principios de la teoría celular: “Omnis cellula e cellula,” que quiere decir cada célula se deriva de otra célula. Lamentablemente, el mecanismo propuesto por Raspail para la generación celular era incorrecto. Raspail también fue el fundador de la bioquímica celular y realizó experimentos sobre la composición química de la célula y su respuesta a cambios de ambientes químicos.
En 1832, el belga Barthelemy Dumortier (1797–1878) describió lo que llamó una “fisión binaria” (división celular) en plantas. Él observó la formación de una partición en la mitad entre la célula original y la nueva célula, una condición que hasta ese momento permanecía sin explicación. Estas observaciones lo llevaron a rechazar la idea que las células nuevas surgen de las viejas o que se forman espontáneamente de material no celular. Normalmente el descubrimiento de la división celular se le atribuye a Hugo von Mohl (1805–1872), pero Durmotier se le adelantó. Von Mohl acuñó la palabra “protoplasma” para describir el material que contiene la célula.
La primera descripción del núcleo celular la hizo el checo Franz Bauer en 1802 y en 1831 el escocés Robert Brown (1773–1858) le dio el nombre de Bauer. La descripción precisa del núcleo celular se hizo en 1835.
En 1838 Matthais Schleiden (1804–1881) propuso que todo elemento estructural de plantas está compuesto de células o del producto de células. Sin embargo, Schleiden insistió en la idea que las células surgen de un proceso parecido a la cristalización ya sea dentro de otras células o desde afuera, lo cual ya había sido aclarado pro Dumortier unos años antes.
En 1839 otro alemán, Theodor Schwann (1810–1882), propuso que también en los animales todo elemento estructural está compuesto de células y productos de células. Esa afirmación de Schwann se consideró innovadora porque el conocimiento de la estructura de la célula animal se había quedado atrás del de las células de plantas. Schwann también afirmó que las leyes fundamentales que rigen a las células son las mismas para plantas y animales.
El checo Jan Purkyňe (1787–1869), a veces citado como Purkinje, fue un gran citólogo en sus tiempos y uno de los principales formuladores de la teoría celular. Él le dio su nombre a diferentes estructuras en el cuerpo, como las células Purkinje del cerebelo.
A pesar del trabajo de Durmotier, el origen de células nuevas permaneció en una controversia y confuso por un tiempo. En 1852, el alemán Robert Remak (1852–1865), publicó sus observaciones sobre la división celular y afirmó de forma definitiva que los procesos propuestos por Schleiden y Schwann estaban equivocados. Con base en las observaciones que había realizado, Remak estableció que la fisión binaria era el medio de reproducción de las células animales nuevas. Esta idea fue ampliamente diseminada por Rudolf Virchow (1821–1902), lamentablemente no le dio crédito a Remak. A menudo se le da crédito a Virchow por la frase Omnis cellula e cellula.
El conocimiento del papel de los cromosomas ocurrió hasta más tarde. Walther Flemming (1843–1905) en 1879 notó que los cromosomas se parten de forma longitudinal durante la mitosis (un término que él introdujo). Wilhelm Roux (1850–1924) propuso que cada cromosoma contiene un conjunto diferente de elementos hereditarios e indicó que la partición longitudinal que observó Flemming aseguraba la división igual de esos elementos. Este proceso fue confirmado por Theodor Boveri (1862–1915) en 1904. Estos hallazgos combinados con el redescubrimiento del documento de Gregor Mendel de 1886 sobre los elementos heredables en guisantes, destacaron el papel importante de los cromosomas en el traspaso de material genético.
La composición química de los genes se definió en varios experimentos en los 50 años siguientes. Este nuevo proceso llegó a su cima con la determinación de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN) en el año 1953 por parte de James Watson y Francis Crick.
El estudio de subestructuras celulares se aceleró con el microscopio electrónico. El pionero del campo fue Keith Porter (1912–1997), quien identificó el retículo endoplasmático y varios elementos del citoesqueleto. Otros avances en microscopía, bioquímica, genética se han llevado a cabo en las últimas décadas y han llevado a profundizar mucho el conocimiento de la estructura el funcionamiento de la célula.
El trabajo arduo de todos estos esforzados científicos llevó a conformar lo que hoy se conoce como la teoría celular que está compuesta de tres principios descritos a continuación:
a. La célula es la unidad básica de la vida.
b. Todos los organismos están compuestos de células.
c. Todas las células surgen de células preexistentes.
2. Diversidad celular: célula procariota, eucariota (tipos), ciclo infeccioso de virus (lisogénico y lítico) características de los virus.
En la actualidad se reconocen, por su estructura, dos tipos de células: procariotas y eucariotas.
Las células procariotas no tienen núcleo, quiere decir que presentan su ADN más o menos recopilado en una parte del citoplasma pero sin estar rodeado de una membrana nuclear, por eso se le conoce como región nucleoide. Éstas son células muy simples, sus orgánulos sólo son los ribosomas, vacuolas pequeñas y mesosomas; algunas también tienen flagelos muy sencillos. El ejemplo más importante de células procariotas es la bacteria.
Las células eucariotas tienen el núcleo rodeado por una membrana. La célula presenta una membrana que la rodea, su función es controlar lo que entra y sale de la célula. También, la célula eucariota tiene varias partes donde se localizan varias funciones, por ejemplo, el núcleo, el cloroplasto, la mitocondria, el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, el citoesqueleto y los lisosomas. Este tipo de célula se divide por medio de mitosis, un proceso diferente al de la bipartición de procariontas.
Las células eucariotas se pueden separar como células animales y vegetales. Ambos tipos de células cuentan, en general, con una seria común de organelas que cumplen la misma función en ambos casos (ver Figura 5). Sin embargo, las células animales cuentan con diferencias importantes: los lisosomas, los cilios, los flagelos y el centriolo. Por otro lado, las células vegetales o de plantas cuentan con sus rasgos diferentes: la pared celular, una vacuola central y los cloroplastos.
3. Transporte celular: pasivo (difusión simple, ósmosis, diálisis y difusión facilitada) y activo (endocitosis, fagocitosis, pinocitosis, exocitosis y bomba sodio potasio).
El transporte celular es el trueque de sustancias entre el interior y el exterior de la célula por medio de la membrana plasmática o el movimiento de moléculas dentro de la célula.
La célula puede usar el transporte para expulsar de su interior los desechos del metabolismo y conseguir nutrientes, porque la capacidad de la membrana celular permite entrada o salida de algunas sustancias. Las formas de transporte por la membrana celular son:
Transporte Activo
El transporte activo se hace con el gradiente del potencial electroquímico de protones (H+) que se forma en los dos lados de la membrana, por la respiración y la fotosíntesis. El transporte activo produce movimientos osmóticos por hidratación. Este transporte es más común en las bacterias porque en los medios naturales la mayoría de los procariotas están de forma permanente o transitoria bajas de nutrientes. El transporte activo de moléculas a través de la membrana celular se realiza en contra del paso de sustancias desde un medio poco concentrado a un medio muy concentrado. Para transportar estas sustancias contra corriente hace falta el aporte de energía procedente del Adenosin Trifosfato (ATP). Se conocen tres tipos de transportadores: Uniportadores: proteínas que transportan una molécula en un solo sentido a través de la membrana. Antiportadores: proteínas que transportan una sustancia en un sentido mientras que simultáneamente transportan otra en sentido opuesto. Simportadores: proteínas que transportan una sustancia junto con otra, frecuentemente un protón (H+).
Transporte pasivo
El transporte pasivo es el movimiento libre de moléculas por la membrana que se produce por un gradiente de concentración y que no requiere energía adicional. Este transporte se produce por propagación pasiva y se da de dos formas:
Por disolución en la capa lipídica (sustancias liposolubles).
Por los poros polares de la membrana (sustancias hidrosolubles).
Ósmosis
La ósmosis es una forma especial de transporte pasivo en el que sólo las moléculas de agua son transportadas a través de la membrana. El movimiento de agua se realiza desde un punto de menor concentración a uno de mayor con el objetivo que se igualen las concentraciones. La osmosis busca mantener hidratada la membrana celular.
4. Características de la célula
La célula contiene una amplia variedad de organelas y sus funciones son igualmente variadas. Las principales organelas se presentan a continuación organizadas en el Cuadro 1.
5. Metabolismo celular.
El metabolismo celular es específico de la materia viva y consiste en un conjunto de reacciones acopladas y simultáneas, en la que se sintetiza y degradan compuestos necesarios en los organismos. Se produce tanto a nivel celular como de organismo.
El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:
· Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosín trifostato) . Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva.
· Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear sus estructuras o para almacenarlos como reserva.
Al producirse en las células de un organismo, se dice que existe un metabolismo celular permanente en todos los seres vivos, y que en ellos se produce una continua reacción química.
Estas reacciones químicas metabólicas (repetimos, ambas reacciones suceden en las células) pueden ser de dos tipos: catabolismo y anabolismo .
El catabolismo (fase destructiva)
La función del catabolismo es reducir, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple. Entonces se puede definir como “el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas (glúcidos, lípidos), que proceden del medio externo o de reservas internas, se rompen o degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más sencillas (CO2, H2O, ácido láctico, amoniaco, etcétera) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato)”. Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades importantes para la vida (transporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas).
Las reacciones catabólicas sirven para:
-reacciones degradativas , mediante ellas compuestos complejos se transforman en otros más sencillos.
– reacciones oxidativas, mediante las cuales se oxidan los compuestos orgánicos más o menos reducidos, liberándose electrones que son captados por coenzimas oxidadas que se reducen.
– reacciones exergónicas en las que se libera energía que se almacena en forma de ATP.
– procesos convergentes mediante los cuales a partir de compuestos muy diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos (CO 2, ácido pirúvico, etanol).
El anabolismo (fase constructiva)
Reacción química para que se forme una sustancia más compleja a partir otras más simples.
Anabolismo, entonces es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos) se sintetizan moléculas más complejas. Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se requiere un aporte de energía que provendrá del ATP.
Las moléculas sintetizadas son usadas por las células para formar sus componentes celulares y así poder crecer y renovarse o serán almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.
Las reacciones anabólicas sirven para:
– reacciones de síntesis, se sintetizan compuestos más complejos a partir de compuestos sencillos .
– reacciones de reducción, en las cuales compuestos más oxidados se reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las coenzimas reducidas (NADH, FADH2 etcétera) las cuales se oxidan.
- reacciones endergónicas que necesitan un aporte de energía que procede de la hidrólisis del ATP.
5. Tipos metabólicos de seres vivos
No todos los seres vivos utilizan la misma fuente de carbono y de energía para obtener sus biomoléculas.
Teniendo en cuenta la fuente de carbono que utilicen existen dos tipos de seres vivos:
Autótrofos, utilizan como fuente de carbono el CO2 (vegetales verdes y muchas bacterias).
Heterótrofos, utilizan como fuente de carbono los compuestos orgánicos (animales hongos y muchas bacterias).·
Ahora, teniendo en cuenta la fuente de energía que utilicen se distingue dos grupos:
Fotosintéticos, utilizan como fuente de energía la luz solar.
Quimiosintéticos, utilizan como fuente de energía, la que se libera en reacciones químicas oxidativas.
Según cual sea la fuente de hidrógeno que utilicen pueden ser:
Litótrofos, utilizan como fuente de hidrógeno compuestos inorgánicos, como H2O, H2S, etc.
Organótrofos, utilizan como fuente de hidrógenos moléculas orgánicas.
Tomando en su conjunto todos estos aspectos, se pueden diferenciar cuatro tipos metabólicos de seres vivos:
Fotolitótrofos o fotoautótrofos: También se llaman fotosintéticos. Son seres que para sintetizar sus biomoléculas usan el CO2 como fuente de carbono; como fuente de hidrógeno, compuestos inorgánicos, y como fuente de energía, la luz solar. A este grupo pertenecen: las plantas, las algas, las bacterias fotosintéticas del azufre, cianofíceas.
Fotoorganótrofos o fotoheterótrofos: Son seres que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono e hidrógeno y como fuente de energía la luz. A este grupo pertenecen bacterias púrpuras no sulfuradas.
Quimiolitótrofos o quimioautótrofos: Son seres que utilizan el CO2 como fuente de carbono, como fuente de hidrógeno compuestos inorgánicos y como fuente de energía la que se desprende en reacciones químicas redox de compuestos inorgánicos. A este grupo pertenecen las llamadas bacterias quimiosintéticas como las bacterias nitrificantes, las ferrobacterias, etc.
Quimioorganótrofos o quimioheterótrofos : También se les denomina heterótrofos. Son seres que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono e hidrógeno y como fuente de energía la que se desprende en las reacciones redox de los compuestos orgánicos.
En las células se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas (tanto catabólicas como anabólicas). Estás reacciones están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por eso una ruta o vía metabólica es un proceso ordenado de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente (como la glucólisis).
Tipos de rutas metabólicas.
Las rutas metabólicas pueden ser:
Lineales: Cuando la base de la primera reacción (sustrato inicial de la ruta) es diferente al producto final de la última reacción.
Cíclicas: Cuando el producto de la última reacción es la base de la reacción inicial, en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que se forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta.
Frecuentemente los metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser bases de reacciones de otras rutas, por eso las rutas están enlazadas y forman redes metabólicas complejas.
La fotosíntesis es un proceso químico con el que plantas, algas y bacterias pueden captar la energía luminosa y cambiarla en energía química (ATP). Este energía es utilizada para producir compuestos orgánicos (glucosa) a partir de agua, sales minerales y dióxido de carbono. La fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos.
La clorofila se almacena en los tilacoides dentro de los cloroplastos y es responsable por absorber la luz. En esas organelas se realizan las reacciones químicas que producen el ATP. La clorofila da el color verde a las células de las plantas.
Las reacciones de la fotosíntesis se agrupan en dos partes:
· Fase luminosa, depende de la luz solar que es absorbida por la clorofila y posteriormente llevada en forma de electrones a una cadena de transportadores de electrones que la utilizará para formar ATP. Parte de la energía solar es utilizada para realizar la descomposición del agua en hidrógeno (que será utilizado para reducir el dióxido de carbono en la siguiente fase) y en oxígeno que se libera al exterior.
· Fase oscura, no depende de la luz solar, pero sí del ATP y del hidrógeno producido en la fase luminosa para reducir el carbono procedente del CO2 y así formar glucosa (C6H12O6).
6. Duplicación del ADN y transcripción de proteínas: ¿cómo ocurre?
Por mucho tiempo los expertos propusieron varias hipótesis sobre cómo se duplicaba el ADN. Watson y Crick propusieron la hipótesis semiconservativa (que fue demostrada por Meselson y Stahl en 1957), que dice que las nuevas moléculas de ADN formadas a partir de otra antigua, tienen una hebra antigua y otra nueva.
Mecanismo de Duplicación del ADN en Procariontes
La duplicación de ADN en procariontes ocurre en tres fases:
1ª etapa: desenrrollamiento y apertura de la doble hélice en el punto ori-c.
Intervienen un grupo de enzimas y proteínas, cuyo conjunto se denomina replisoma.
Primero: intervienen las helicasas que facilitan en desenrrollamiento
Segundo: actúan las girasas y topoisomerasas que eliminan la tensión generada por la torsión en el desenrrollamiento.
Tercero: actúan las proteínas SSBP que se unen a las hebras molde para que no vuelva a enrollarse.
2ª etapa: Síntesis de dos nuevas hebras de ADN.
Involucra a las ADN polimerasas para producir las nuevas hebras en sentido 5´-3´, ya que la lectura se hace en el sentido 3´-5´.
Involucra a las ADN polimerasa I y III, que se encargan de la duplicación y corrección de errores. La que lleva la mayor parte del trabajo es la ADN polimerasa III
Involucra a la ADN polimerasa II, que corrige daños causados por agentes físicos.
La cadena 3´-5´ es leída por la ADN polimerasa III sin ningún tipo de problemas (cadena conductora). En cambio, la cadena 5´-3´ no puede ser leída directamente, esto se soluciona leyendo pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki ) que crecen en el sentido 5´-3´, los cuales se unirán más tarde. Esta es la hebra retardada, llamada de esta forma porque su síntesis es más lenta.
La ADN polimerasa III no puede empezar la síntesis por sí sola, necesita un cebador (ARN) que es producido por una ARN polimerasa (primasa). Este cebador es eliminado después.
3ª etapa: corrección de errores.
La enzima principal es la ADN polimerasa III, que corrige todos los errores cometidos en la duplicación. Involucra otros enzimas como:
Endonucleasas que cortan el segmento erróneo.
ADN polimerasas I que rellenan correctamente el hueco.
ADN ligasas que unen los extremos corregidos.
Duplicación del ADN en eucariotas
Esta duplicación es parecida a la de los procariontes. Existe una hebra conductora y una hebra retardada con fragmentos de Okazaki. Se inicia en la burbujas de replicación (puede haber unas 100 a la vez).
Involucra enzimas similares a los que actúan en las células procariontes y otros enzimas que han de duplicar las histonas que forman parte de los nucleosomas. Los nucleosomas viejos permanecen en la hebra conductora.
7. Ciclo celular: interfaces (G1, S, G2, y G0), fase M; mitosis y meiosis (procesos que pasa en cada uno).
MITOSIS
Interfase
“Esta es la fase más larga del ciclo celular, ocupa casi el 90% del ciclo, ocurre entre dos mitosis y tiene tres etapas:
– Fase G1 (del inglés Growth o Gap 1): Es la primera fase del ciclo celular, en la que existe crecimiento celular con síntesis de proteínas y de ARN. Es el período que trascurre entre el fin de una mitosis y el inicio de la síntesis de ADN. Tiene una duración de entre 6 y 12 horas, y durante este tiempo la célula duplica su tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes, como resultado de la expresión de los genes que codifican las proteínas responsables de su fenotipo particular. En cuanto a carga genética, en humanos (diploides) son 2n 2c.
– Fase S (del inglés Synthesis): Es la segunda fase del ciclo, en la que se produce la replicación o síntesis del ADN, como resultado cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio. Tiene una duración de unas 10–12 horas y ocupa alrededor de la mitad del tiempo que dura el ciclo celular en una célula de mamífero típica.
- Fase G2 (del inglés Growth o Gap 2): Es la tercera fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la síntesis de proteínas y ARN. Al final de este período se observa al microscopio cambios en la estructura celular, que indican el principio de la división celular. Tiene una duración entre 3 y 4 horas. Termina cuando la cromatina empieza a condensarse al inicio de la mitosis (Fase M). La carga genética de humanos es 2n 4c, ya que se han duplicado el material genético, teniendo ahora dos cromátidas cada uno.”
MEIOSIS
“Proceso de división celular que da lugar a los gametos (óvulos y espermatozoides) para la reproducción sexual. Durante la meiosis una célula diploide (2n) experimenta dos divisiones sucesivas y se crean cuatro células haploides (n), que al madurar se convierten en gametos.
La meiosis es una forma especializada de división celular, destinada en última instancia a producir gametos.
La reproducción sexual se caracteriza por la reunión y combinación del material genético de dos progenitores para dar lugar a una progenie con una colección de genes propia resultado de dicha combinación.
Sin embargo, para garantizar que la cantidad de material genético no va incrementando con las generaciones, ha de existir un mecanismo que reduzca a la mitad esa cantidad al menos en las células encargadas de fusionarse en la fecundación (los gametos), de forma que el resultado final de la fecundación produzca una célula o, en el caso de los organismos pluricelulares, un individuo que mantenga el número cromosómico constante característico de su especie. Por ejemplo, en el caso de la especie humana, con 23 pares de cromosomas (2n=46, diploide), los gametos paterno y materno deberán proporcionar cada uno un juego de 23 cromosomas (n=23, haploide).
La meiosis es precisamente el mecanismo encargado de reducir la cantidad de material genético a un solo juego de cromosomas por gameto. Es interesante destacar que la meiosis no siempre precede inmediatamente a la formación de gametos, existiendo especies eucariotas pluricelulares que viven como individuos haploides durante una parte o fase de su ciclo vital. En estos casos algunas de las células de la fase haploide se dividen mediante mitosis y se especializan para formar los gametos.
La meiosis se divide en varias fases diferenciadas, que en realidad abarcan dos divisiones celulares sucesivas.
La primera división celular es la más específica de este proceso y se divide en las siguientes etapas:
Profase I: es la etapa más compleja, tradicionalmente dividida a su vez en cinco fases:
Leptoteno: los cromosomas individuales comienzan a condensar en filamentos largos dentro del núcleo.
Zigoteno: Los cromosomas homólogos se aparean entre sí formando lo que se conoce como complejo bivalente o tétrada. En este apareamiento se forma el complejo sinaptonémico.
Paquiteno: se produce el entrecruzamiento cromosómico en el cual las cromátidas homólogas del complejo sinaptonémico intercambian material genético. Esta recombinación es un punto clave de generación de variabilidad genética.
Diploteno: En esta fase es posible observar los lugares del cromosoma donde se ha producido la recombinación, unas estructuras en forma de X llamadas quiasmas. Cada quiasma se origina en un sitio de entrecruzamiento.
·Diacinesis: Constituye el final de la profase I y viene marcado por la rotura de la membrana nuclear.
Metafase I: los cromosomas se sitúan en el ecuador de la célula y se asocian al huso acromático.
Anafase I: Se produce la separación de cromosomas completos, un homólogo hacia cada polo de la célula. El número de cromosomas maternos y paternos que vaya a cada polo varía al azar en cada meiosis, otro punto de variabilidad genética.
Telofase I: Se forma una nueva membrana nuclear y los cromosomas se descompactan. Se forman dos células hijas haploides.
La segunda división celular es un proceso análogo a la mitosis, con las mismas fases, solo que las células tienen un solo juego de cromosomas, en las cuales además las cromátidas de cada cromosoma ya no son idénticas genéticamente, debido al proceso de recombinación ocurrido en la anterior división. Aquí hay otro punto de generación de variabilidad, ya que dependiendo de la orientación de cada cromátida respecto a los polos, se generarán diferentes gametos.
En el ser humano, la meiosis se produce únicamente en las gónadas. Además, mientras que son generados cuatro espermatozoides por cada célula que entra en meiosis, en el caso de los gametos femeninos u óvulos, sólo se produce un gameto viable por cada célula que entra en meiosis. Esto es debido a que durante cada una de las dos divisiones meióticas, una de las células recibe todo el citoplasma, mientras que las otras degeneran en corpúsculos polares. De esta forma se asegura un óvulo con la suficiente cantidad de citoplasma para permitir los primeros eventos de la fecundación.
La meiosis es un proceso altamente regulado que debe garantizar un reparto exacto de cromosomas. Los fallos durante este reparto son el origen de las llamadas anomalías cromosómicas, generadas porque algunos gametos reciben uno o varios cromosomas de más o de menos.
DIFERENCIA ENTRE MITOSIS Y MEIOSIS:
La mitosis produce células genéticamente idénticas y es lo que permite el crecimiento del organismo y la reparación de los tejidos. La meiosis es la división celular necesaria para la reproducción sexual. A diferencia de la mitosis, la meiosis produce células genéticamente distintas y en combinación con la fecundación es la base la variabilidad genética de las especies.”
Gametogénesis
Al final de la meiosis, se producen cuatro células haploides, pero las células aún no son gametos. Las células se tienen que desarrollar antes de que sean gametos maduros capaces de fertilización. El desarrollo de las células haploides en gametos se llama gametogénesis.
La gametogénesis puede diferir entre machos y hembras. Los gametos masculinos se llaman espermatozoides. Los gametos femeninos se llaman óvulos. En los machos humanos, por ejemplo, el proceso que produce las células de esperma maduras se llama espermatogénesis. Durante este proceso, las células espermáticas desarrollan una cola y adquieren la capacidad de “nadar”. En las hembras humanas, el proceso que produce óvulos maduros se llama ovogénesis. Se produce un solo óvulo a partir de las cuatro células haploides que resultan de la meiosis. El único óvulo es una célula muy grande.
8. Biotecnología: selección artificial, inseminación artificial, fecundación in vitro, mutación inducida, transgénicos, clonación, mapeo del genoma humano
La selección artificial es la modificación de las especies a través de cruzamientos selectivos para obtener rasgos deseables en plantas y animales; por ejemplo, la selección de ovejas modificadas para obtener animales con la mejor lana posible o vacas que producen mejor leche.
La inseminación artificial es la fecundación que se da por la manipulación de las células sexuales. Se obtiene la esperma del macho y se introducen en las vías genitales de la hembra. Se realizó por primera vez en 1779 en Italia con gatos y perros, desde entonces ha sido una técnica muy popular en la veterinaria para el mejoramiento genético de varios animales.
La fertilización in vitro es la fecundación realizada con asistencia fuera del sistema reproductor de la hembra. La reunión de las células sexuales de la hembra y el macho se da en un medio artificial. Se da durante el período fértil de la hembra.
En este proceso, se extrae el óvulo durante el período fértil y se mantiene en un medio adecuado para que pueda ser receptivo del espermatozoide. Luego, se realiza la fecundación y se introduce el óvulo fecundado. Después de 15 días se sabe si el embarazo ha comenzado ya que durante ese período existe el riesgo de rechazo de parte del cuerpo de la madre. Este proceso se hace desde 1954 en Francia con animales, pero desde 1978 se practica con humanos. Este es un procedimiento muy controversial de la medicina cuando se practica en seres humanos ya que se realiza en serie, o sea, varios espermatozoides contra varios óvulos. Esta situación provoca que varios óvulos (o a veces ninguno) sean fecundados pero sólo uno implantado en la madre. El desecho de los demás fetos se considera prácticamente el asesinato de seres humanos lo que ha causado grandes debates éticos en diferentes países.
Los organismos transgénicos son los que que han sufrido la alteración de su material genético. En los años sesenta se inventaron procedimientos moleculares con las cuales se podía componer y decomponer el ADN e intercambiar fragmentos del material hereditario de diferentes especies y transferirlos a microorganismos. En la década de los 80 se logró incorporar genes extraños en ratones así empezó la manipulación de mamíferos. Actualmente existe mucha controversia contra los organismos transgénicos y su consumo ya que se alega que son dañinos para la salud humana,
La producción de organismos clonados también es una técnica reciente.
La palabra clonación (acción de reproducir a un ser de manera perfecta en el aspecto fisiológico y bioquímico de una célula originaria) proviene de “clon” que es parte de la molécula de ADN que transmite las características genéticas de un organismo.
Con esta técnica se han obtenido algunos de los genes humanos como por ejemplo el que codifica la producción de insulina, el de la hormona del crecimiento, y el del interferón. Esta técnica es muy gustada por varias empresas ya que la velocidad con la que se reproducen las bacterias es muy alta y se obtienen grandes cantidades de las bacterias replicadas en poco tiempo.
Proyecto Genoma Humano (PGH)
Con el Proyecto del Genoma Humano se propusieron determinar la secuencia completa del genoma humano para localizar todos los genes (aproximadamente 100,000) y el resto del material hereditario que da las instrucciones genéticas.
El PGH es la base de grandes avances del mundo actual. Por esta tecnología y el conocimiento que ha generado, se ha facilitado el diagnóstico de enfermedades genéticas, enfermedades infecciosas y cáncer por medio de sondas y marcadores moleculares. También se espera que facilite el desarrollo de medicinas especializadas.