Mitosis

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En biología celular, la mitosis es una parte del ciclo celular en la que los cromosomas replicados se separan en dos nuevos núcleos. La división celular por mitosis da lugar a células genéticamente idénticas en las que se mantiene el número total de cromosomas. Por lo tanto, la mitosis también se conoce como división ecuacional. En general, la mitosis está precedida por la fase S de la interfase (durante la cual se produce la replicación del ADN) ya menudo le siguen la telofase y la citocinesis; que divide el citoplasma, los orgánulos y la membrana celular de una célula en dos nuevas células que contienen proporciones aproximadamente iguales de estos componentes celulares.Las diferentes etapas de la mitosis definen en conjunto la fase mitótica ( M ) de un ciclo celular animal: la división de la célula madre en dos células hijas genéticamente idénticas entre sí.

El proceso de la mitosis se divide en etapas correspondientes a la finalización de un conjunto de actividades y el inicio del siguiente. Estas etapas son la preprofase (específica de las células vegetales), la profase, la prometafase, la metafase, la anafase y la telofase. Durante la mitosis, los cromosomas, que ya se han duplicado, se condensan y se adhieren a las fibras del huso que atraen una copia de cada cromosoma hacia los lados opuestos de la célula. El resultado son dos núcleos hijos genéticamente idénticos. Luego, el resto de la célula puede continuar dividiéndose por citocinesis para producir dos células hijas. Las diferentes fases de la mitosis se pueden visualizar en tiempo real, utilizando imágenes de células vivas.Producir tres o más células hijas en lugar de las dos normales es un error mitótico llamado mitosis tripolar o mitosis multipolar (triplicación/multiplicación celular directa). Otros errores durante la mitosis pueden inducir la apoptosis (muerte celular programada) o causar mutaciones. Ciertos tipos de cáncer pueden surgir de tales mutaciones.

La mitosis ocurre solo en las células eucariotas. Las células procariotas, que carecen de núcleo, se dividen mediante un proceso diferente llamado fisión binaria. La mitosis varía entre los organismos. Por ejemplo, las células animales se someten a una mitosis "abierta", en la que la envoltura nuclear se rompe antes de que los cromosomas se separen, mientras que los hongos se someten a una mitosis "cerrada", en la que los cromosomas se dividen dentro de un núcleo celular intacto. La mayoría de las células animales experimentan un cambio de forma, conocido como redondeo celular mitótico, para adoptar una morfología casi esférica al comienzo de la mitosis. La mayoría de las células humanas se producen por división celular mitótica. Las excepciones importantes incluyen los gametos (espermatozoides y óvulos) que se producen por meiosis.

Descubrimiento

Se realizaron numerosas descripciones de la división celular durante los siglos XVIII y XIX, con diversos grados de precisión. En 1835, el botánico alemán Hugo von Mohl, describió la división celular en el alga verde Cladophora glomerata, afirmando que la multiplicación de las células ocurre a través de la división celular. En 1838, Matthias Jakob Schleiden afirmó que "la formación de nuevas células en su interior era una regla general para la multiplicación celular en las plantas", opinión que luego se rechazó a favor del modelo de Mohl, debido a las contribuciones de Robert Remak y otros.

En células animales, la división celular con mitosis se descubrió en células de córnea de rana, conejo y gato en 1873 y fue descrita por primera vez por el histólogo polaco Wacław Mayzel en 1875.

Bütschli, Schneider y Fol también podrían haber reclamado el descubrimiento del proceso actualmente conocido como "mitosis". En 1873, el zoólogo alemán Otto Bütschli publicó datos de observaciones sobre nematodos. Unos años más tarde, descubrió y describió la mitosis basándose en esas observaciones.

El término "mitosis", acuñado por Walther Flemming en 1882, se deriva de la palabra griega μίτος ( mitos, "hilo de urdimbre"). Hay algunos nombres alternativos para el proceso, por ejemplo, "cariocinesis" (división nuclear), término introducido por Schleicher en 1878, o "división ecuacional", propuesto por August Weismann en 1887. Sin embargo, también se utiliza el término "mitosis". en un sentido amplio por algunos autores para referirse a cariocinesis y citocinesis juntas. Actualmente, la "división ecuacional" se usa más comúnmente para referirse a la meiosis II, la parte de la meiosis más parecida a la mitosis.

Etapas

Visión de conjunto

El resultado principal de la mitosis y la citocinesis es la transferencia del genoma de una célula madre a dos células hijas. El genoma está compuesto por una serie de cromosomas, complejos de ADN fuertemente enrollado que contienen información genética vital para el funcionamiento celular adecuado. Debido a que cada célula hija resultante debe ser genéticamente idéntica a la célula madre, la célula madre debe hacer una copia de cada cromosoma antes de la mitosis. Esto ocurre durante la fase S de la interfase. La duplicación cromosómica da como resultado dos cromátidas hermanas idénticas unidas por proteínas cohesina en el centrómero.

Cuando comienza la mitosis, los cromosomas se condensan y se hacen visibles. En algunos eucariotas, por ejemplo animales, la envoltura nuclear, que segrega el ADN del citoplasma, se desintegra en pequeñas vesículas. El nucléolo, que produce los ribosomas en la célula, también desaparece. Los microtúbulos se proyectan desde los extremos opuestos de la célula, se unen a los centrómeros y alinean los cromosomas en el centro de la célula. Luego, los microtúbulos se contraen para separar las cromátidas hermanas de cada cromosoma. Las cromátidas hermanas en este punto se llaman cromosomas hijos.. A medida que la célula se alarga, los cromosomas hijos correspondientes son atraídos hacia los extremos opuestos de la célula y se condensan al máximo en la anafase tardía. Se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de los cromosomas hijos separados, que se descondensan para formar núcleos en interfase.

Durante la progresión mitótica, generalmente después del inicio de la anafase, la célula puede sufrir citocinesis. En las células animales, una membrana celular se pellizca hacia adentro entre los dos núcleos en desarrollo para producir dos nuevas células. En las células vegetales, se forma una placa celular entre los dos núcleos. La citocinesis no siempre ocurre; las células cenocíticas (un tipo de condición multinucleada) experimentan mitosis sin citocinesis.

Diagrama de las fases mitóticas

Interfase

La fase mitótica es un período relativamente corto del ciclo celular. Se alterna con la interfase mucho más larga, donde la célula se prepara para el proceso de división celular. La interfase se divide en tres fases: G 1 (primer intervalo), S (síntesis) y G 2 (segundo intervalo). Durante las tres partes de la interfase, la célula crece produciendo proteínas y orgánulos citoplasmáticos. Sin embargo, los cromosomas se replican solo durante la fase S. Así, una célula crece (G 1 ), sigue creciendo a medida que duplica sus cromosomas (S), crece más y se prepara para la mitosis (G 2 ), y finalmente se divide (M) antes de reiniciar el ciclo.Todas estas fases del ciclo celular están altamente reguladas por ciclinas, quinasas dependientes de ciclina y otras proteínas del ciclo celular. Las fases se suceden en estricto orden y hay "puntos de control" que le dan a la célula señales para pasar de una fase a otra. Las células también pueden abandonar temporal o permanentemente el ciclo celular y entrar en la fase G 0 para dejar de dividirse. Esto puede ocurrir cuando las células se sobrepoblan (inhibición dependiente de la densidad) o cuando se diferencian para llevar a cabo funciones específicas para el organismo, como es el caso de las células del músculo cardíaco humano y las neuronas. Algunas células G 0 tienen la capacidad de volver a entrar en el ciclo celular.

Las roturas de doble cadena de ADN pueden repararse durante la interfase mediante dos procesos principales. El primer proceso, unión de extremos no homólogos (NHEJ), puede unir los dos extremos rotos del ADN en las fases G1, S y G2 de la interfase. El segundo proceso, la reparación recombinante homóloga (HRR), es más precisa que la NHEJ en la reparación de roturas de doble cadena. HRR está activo durante las fases S y G2 de la interfase cuando la replicación del ADN se logra parcialmente o después de que se completa, ya que HRR requiere dos homólogos adyacentes.

La interfase ayuda a preparar la célula para la división mitótica. Determina si se producirá la división celular mitótica. Detiene cuidadosamente el avance de la célula cada vez que el ADN de la célula está dañado o no ha completado una fase importante. La interfase es muy importante ya que determinará si la mitosis se completa con éxito. Reducirá la cantidad de células dañadas producidas y la producción de células cancerosas. Un error de cálculo por parte de las proteínas clave de la interfase podría ser crucial, ya que estas últimas podrían crear células cancerosas. Hoy en día, se están realizando más investigaciones para comprender específicamente cómo ocurren las fases mencionadas anteriormente.

Mitosis

Preprofase (células vegetales)

Solo en las células vegetales, la profase está precedida por una etapa de preprofase. En las células vegetales altamente vacuoladas, el núcleo tiene que migrar al centro de la célula antes de que pueda comenzar la mitosis. Esto se logra mediante la formación de un fragmosoma, una lámina transversal de citoplasma que divide la célula a lo largo del futuro plano de división celular. Además de la formación de fragmosomas, la preprofase se caracteriza por la formación de un anillo de microtúbulos y filamentos de actina (denominado banda de preprofase) debajo de la membrana plasmática alrededor del plano ecuatorial del futuro huso mitótico. Esta banda marca la posición donde la célula finalmente se dividirá. Las células de las plantas superiores (como las plantas con flores) carecen de centríolos; en cambio, los microtúbulos forman un huso en la superficie del núcleo y luego los propios cromosomas los organizan en un huso.La banda de preprofase desaparece durante la ruptura de la envoltura nuclear y la formación del huso en la prometafase.

Profase

Durante la profase, que ocurre después de la interfase G 2, la célula se prepara para dividirse condensando estrechamente sus cromosomas e iniciando la formación del huso mitótico. Durante la interfase, el material genético en el núcleo consiste en cromatina suelta. Al comienzo de la profase, las fibras de cromatina se condensan en cromosomas discretos que normalmente son visibles a gran aumento a través de un microscopio óptico. En esta etapa, los cromosomas son largos, delgados y con forma de hilo. Cada cromosoma tiene dos cromátidas. Las dos cromátidas se unen en el centrómero.

La transcripción de genes cesa durante la profase y no se reanuda hasta la anafase tardía a la fase G1 temprana . El nucléolo también desaparece durante la profase temprana.

Cerca del núcleo de las células animales hay estructuras llamadas centrosomas, que consisten en un par de centriolos rodeados por una colección suelta de proteínas. El centrosoma es el centro de coordinación de los microtúbulos de la célula. Una célula hereda un solo centrosoma en la división celular, que es duplicado por la célula antes de que comience una nueva ronda de mitosis, dando un par de centrosomas. Los dos centrosomas polimerizan tubulina para ayudar a formar un aparato de huso de microtúbulos. Luego, las proteínas motoras empujan los centrosomas a lo largo de estos microtúbulos hacia lados opuestos de la célula. Aunque los centrosomas ayudan a organizar el ensamblaje de los microtúbulos, no son esenciales para la formación del aparato del huso, ya que están ausentes en las plantas y no son absolutamente necesarios para la mitosis de las células animales.

Prometafase

Al comienzo de la prometafase en las células animales, la fosforilación de las láminas nucleares hace que la envoltura nuclear se desintegre en pequeñas vesículas de membrana. Mientras esto sucede, los microtúbulos invaden el espacio nuclear. Esto se llama mitosis abierta y ocurre en algunos organismos multicelulares. Los hongos y algunos protistas, como las algas o las tricomonas, experimentan una variación denominada mitosis cerrada en la que el huso se forma dentro del núcleo o los microtúbulos penetran en la envoltura nuclear intacta.

En la prometafase tardía, los microtúbulos del cinetocoro comienzan a buscar y unirse a los cinetocoros cromosómicos. Un cinetocoro es una estructura proteinácea de unión a microtúbulos que se forma en el centrómero cromosómico durante la profase tardía. Varios microtúbulos polares encuentran e interactúan con los microtúbulos polares correspondientes del centrosoma opuesto para formar el huso mitótico. Aunque la estructura y la función del cinetocoro no se conocen por completo, se sabe que contiene algún tipo de motor molecular.Cuando un microtúbulo se conecta con el cinetocoro, el motor se activa, utilizando la energía del ATP para "arrastrarse" por el tubo hacia el centrosoma de origen. Esta actividad motora, junto con la polimerización y despolimerización de los microtúbulos, proporciona la fuerza de tracción necesaria para separar posteriormente las dos cromátidas del cromosoma.

Metafase

Una vez que los microtúbulos se han ubicado y unido a los cinetocoros en la prometafase, los dos centrosomas comienzan a jalar los cromosomas hacia los extremos opuestos de la célula. La tensión resultante hace que los cromosomas se alineen a lo largo de la placa metafásica o plano ecuatorial, una línea imaginaria que está ubicada en el centro entre los dos centrosomas (aproximadamente en la línea media de la célula). Para garantizar una distribución equitativa de los cromosomas al final de la mitosis, el punto de control de la metafase garantiza que los cinetocoros estén correctamente unidos al huso mitótico y que los cromosomas estén alineados a lo largo de la placa de la metafase. Si la célula pasa con éxito por el punto de control de la metafase, pasa a la anafase.

Anafase

Durante la anafase A, las cohesinas que unen a las cromátidas hermanas se escinden, formando dos cromosomas hijos idénticos. El acortamiento de los microtúbulos del cinetocoro atrae a los cromosomas hijos recién formados hacia los extremos opuestos de la célula. Durante la anafase B, los microtúbulos polares se empujan entre sí, lo que hace que la célula se alargue. En la anafase tardía, los cromosomas también alcanzan su nivel de condensación máximo general, para ayudar a la segregación cromosómica y la reformación del núcleo. En la mayoría de las células animales, la anafase A precede a la anafase B, pero algunos óvulos de vertebrados muestran el orden opuesto de los acontecimientos.

Telofase

Telofase (de la palabra griega τελος que significa "fin") es una inversión de los eventos de profase y prometafase. En la telofase, los microtúbulos polares continúan alargándose, alargando aún más la célula. Si la envoltura nuclear se ha descompuesto, se forma una nueva envoltura nuclear utilizando las vesículas de membrana de la antigua envoltura nuclear de la célula madre. La nueva envoltura se forma alrededor de cada conjunto de cromosomas hijos separados (aunque la membrana no encierra los centrosomas) y reaparece el nucléolo. Ambos conjuntos de cromosomas, ahora rodeados por una nueva membrana nuclear, comienzan a "relajarse" o descondensarse. La mitosis es completa. Cada núcleo hijo tiene un conjunto idéntico de cromosomas. La división celular puede o no ocurrir en este momento dependiendo del organismo.

Citocinesis

La citocinesis no es una fase de la mitosis, sino un proceso separado necesario para completar la división celular. En las células animales, se desarrolla un surco de división (pellizco) que contiene un anillo contráctil donde solía estar la placa de la metafase, pellizcando los núcleos separados. Tanto en las células animales como en las vegetales, la división celular también es impulsada por vesículas derivadas del aparato de Golgi, que se mueven a lo largo de los microtúbulos hasta el centro de la célula. En las plantas, esta estructura se fusiona en una placa celular en el centro del fragmoplasto y se convierte en una pared celular, separando los dos núcleos. El fragmoplasto es una estructura de microtúbulos típica de las plantas superiores, mientras que algunas algas verdes utilizan una matriz de microtúbulos de ficoplastos durante la citocinesis.Cada célula hija tiene una copia completa del genoma de su célula madre. El final de la citocinesis marca el final de la fase M.

Hay muchas células donde la mitosis y la citocinesis ocurren por separado, formando células individuales con múltiples núcleos. La ocurrencia más notable de esto es entre los hongos, mohos mucilaginosos y algas cenocíticas, pero el fenómeno se encuentra en varios otros organismos. Incluso en animales, la citocinesis y la mitosis pueden ocurrir de forma independiente, por ejemplo, durante ciertas etapas del desarrollo embrionario de la mosca de la fruta.

Función

La "función" o significado de la mitosis se basa en el mantenimiento del conjunto cromosómico; cada célula formada recibe cromosomas que son similares en composición e iguales en número a los cromosomas de la célula madre.

La mitosis ocurre en las siguientes circunstancias:

Variaciones

Formas de mitosis

El proceso de mitosis en las células de los organismos eucariotas sigue un patrón similar, pero con variaciones en tres detalles principales. La mitosis "cerrada" y "abierta" se puede distinguir sobre la base de que la envoltura nuclear permanece intacta o se rompe. Una forma intermedia con degradación parcial de la envoltura nuclear se denomina mitosis "semiabierta". Con respecto a la simetría del aparato del huso durante la metafase, una forma aproximadamente axialmente simétrica (centrada) se denomina "ortomitis", que se distingue de los husos excéntricos de la "pleuromitosis", en la que el aparato mitótico tiene simetría bilateral. Finalmente, un tercer criterio es la ubicación del huso central en caso de pleuromitosis cerrada: "extranuclear" (huso ubicado en el citoplasma) o "intranuclear"

La división nuclear tiene lugar solo en las células de los organismos del dominio eucariota, ya que las bacterias y las arqueas no tienen núcleo. Las bacterias y las arqueas se someten a un tipo diferente de división. Dentro de cada uno de los supergrupos eucarióticos, se pueden encontrar mitosis de forma abierta, así como mitosis cerrada, a excepción de Excavata, que muestran exclusivamente mitosis cerrada. A continuación, la aparición de las formas de mitosis en eucariotas:

Errores y otras variaciones

Pueden ocurrir errores durante la mitosis, especialmente durante el desarrollo embrionario temprano en humanos. Durante cada paso de la mitosis, normalmente también hay puntos de control que controlan el resultado normal de la mitosis. Pero, ocasionalmente o casi raramente, ocurrirán errores. Los errores mitóticos pueden crear células aneuploides que tienen muy pocos o demasiados de uno o más cromosomas, una condición asociada con el cáncer. Los embriones humanos tempranos, las células cancerosas, las células infectadas o intoxicadas también pueden sufrir una división patológica en tres o más células hijas (mitosis tripolar o multipolar), lo que da como resultado errores graves en sus complementos cromosómicos.

En la no disyunción, las cromátidas hermanas no se separan durante la anafase. Una célula hija recibe ambas cromátidas hermanas del cromosoma que no se separa y la otra célula no recibe ninguna. Como resultado, la primera célula obtiene tres copias del cromosoma, una condición conocida como trisomía, y la segunda tendrá solo una copia, una condición conocida como monosomía. En ocasiones, cuando las células no experimentan disyunción, no logran completar la citocinesis y retienen ambos núcleos en una célula, lo que da como resultado células binucleadas.

El retraso de la anafase se produce cuando se impide el movimiento de una cromátida durante la anafase. Esto puede ser causado por una falla del huso mitótico para unirse correctamente al cromosoma. La cromátida rezagada se excluye de ambos núcleos y se pierde. Por lo tanto, una de las células hijas será monosómica para ese cromosoma.

La endorreduplicación (o endorreplicación) ocurre cuando los cromosomas se duplican pero la célula no se divide posteriormente. Esto da como resultado células poliploides o, si los cromosomas se duplican repetidamente, cromosomas politénicos. La endorreduplicación se encuentra en muchas especies y parece ser una parte normal del desarrollo. La endomitosis es una variante de la endorreduplicación en la que las células replican sus cromosomas durante la fase S y entran en la mitosis, pero terminan prematuramente. En lugar de dividirse en dos nuevos núcleos hijos, los cromosomas replicados se retienen dentro del núcleo original. Luego, las células vuelven a entrar en la fase G 1 y S y replican sus cromosomas nuevamente.Esto puede ocurrir varias veces, aumentando el número de cromosomas con cada ronda de replicación y endomitosis. Los megacariocitos productores de plaquetas pasan por endomitosis durante la diferenciación celular.

La amitosis en los ciliados y en los tejidos de la placenta animal da como resultado una distribución aleatoria de los alelos parentales.

La cariocinesis sin citocinesis origina células multinucleadas denominadas cenocitos.

Marcador de diagnóstico

En histopatología, la tasa de mitosis (recuento mitótico o índice mitótico) es un parámetro importante en varios tipos de muestras de tejido, tanto para el diagnóstico como para especificar aún más la agresividad de los tumores. Por ejemplo, rutinariamente hay una cuantificación del recuento mitótico en la clasificación del cáncer de mama. Las mitosis deben contarse en un área de mayor actividad mitótica. La identificación visual de estas áreas es difícil en tumores con actividad mitótica muy alta. Además, la detección de formas atípicas de mitosis puede utilizarse tanto como marcador de diagnóstico como de pronóstico. Por ejemplo, la mitosis de tipo lag (cromatina condensada no adherida en el área de la figura mitótica) indica cáncer de cuello uterino relacionado con la infección por el virus del papiloma humano de alto riesgo.Para mejorar la reproducibilidad y la precisión del recuento mitótico, se ha propuesto el análisis de imágenes automatizado mediante algoritmos basados ​​en aprendizaje profundo. Sin embargo, se necesita más investigación antes de que esos algoritmos puedan usarse para diagnósticos de rutina.

Procesos celulares relacionados

Redondeo de celdas

En el tejido animal, la mayoría de las células se redondean hasta adquirir una forma casi esférica durante la mitosis. En el epitelio y la epidermis, un proceso de redondeo eficiente se correlaciona con la alineación adecuada del huso mitótico y el posterior posicionamiento correcto de las células hijas. Además, los investigadores han descubierto que si el redondeo se suprime en gran medida, puede provocar defectos en el huso, principalmente división de polos y falla en la captura eficiente de cromosomas. Por lo tanto, se cree que el redondeo de células mitóticas desempeña un papel protector para garantizar una mitosis precisa.

Las fuerzas de redondeo son impulsadas por la reorganización de la actina F y la miosina (actomiosina) en una corteza celular homogénea contráctil que 1) endurece la periferia celular y 2) facilita la generación de presión hidrostática intracelular (hasta 10 veces mayor que la interfase). La generación de presión intracelular es particularmente crítica bajo confinamiento, como sería importante en un escenario tisular, donde se deben producir fuerzas externas para redondear contra las células circundantes y/o la matriz extracelular. La generación de presión depende de la nucleación de actina F mediada por formina y la contracción de miosina II mediada por Rho quinasa (ROCK), ambas gobernadas aguas arriba por las vías de señalización RhoA y ECT2 a través de la actividad de Cdk1.Debido a su importancia en la mitosis, los componentes moleculares y la dinámica de la corteza de actomiosina mitótica es un área de investigación activa.

Recombinación mitótica

Las células mitóticas irradiadas con rayos X en la fase G1 del ciclo celular reparan daños en el ADN recombinogénico principalmente mediante la recombinación entre cromosomas homólogos. Las células mitóticas irradiadas en fase G2 reparan dichos daños preferentemente por recombinación de cromátidas hermanas. Las mutaciones en los genes que codifican las enzimas empleadas en la recombinación hacen que las células tengan una mayor sensibilidad a ser eliminadas por una variedad de agentes que dañan el ADN. Estos hallazgos sugieren que la recombinación mitótica es una adaptación para reparar daños en el ADN, incluidos aquellos que son potencialmente letales.

Evolución

Hay homólogos procarióticos de todas las moléculas clave de la mitosis eucariótica (p. ej., actinas, tubulinas). Siendo una propiedad eucariota universal, la mitosis probablemente surgió en la base del árbol eucariota. Como la mitosis es menos compleja que la meiosis, la meiosis puede haber surgido después de la mitosis. Sin embargo, la reproducción sexual que involucra meiosis también es una característica primitiva de los eucariotas. Por lo tanto, la meiosis y la mitosis pueden haber evolucionado, en paralelo, a partir de procesos procarióticos ancestrales.

Mientras que en la división celular bacteriana, después de la duplicación del ADN, dos cromosomas circulares se unen a una región especial de la membrana celular, la mitosis eucariota generalmente se caracteriza por la presencia de muchos cromosomas lineales, cuyos cinetocoros se unen a los microtúbulos del huso. En relación a las formas de mitosis, la pleuromitosis intranuclear cerrada parece ser el tipo más primitivo, ya que se parece más a la división bacteriana.

Galería

Las células mitóticas se pueden visualizar microscópicamente tiñéndolas con anticuerpos y colorantes fluorescentes.