Tópico 5 Bases Moleculares y Celulares de la Reproducción

 

Reproducción: proceso que consiste en producir una nueva generación de organismos de la misma especie.

Chicos:

Versión 5.31
Última modificación: 2024-10-15

Tópico 5: Base molecular y celular de la Reproducción

Debes saber que en todo proceso reproductivo siempre ocurren una o varias divisiones celulares. 

División Celular (rojo = ADN , verde = tubulina)

Noten que la Reproducción (re- = volver= repetir, prod- = hacer = generar) NO ES UN PROCESO VITAL. Ningún organismo se muere por no reproducirse. De hecho, aunque los organismos mayoritariamente están adaptados para multiplicarse, la gran mayoría nunca lo logra. (hablaremos más sobre esto en el corte 3, Evolución).

La Reproducción es necesaria para la existencia de las especies, no así para los organismos. Si un número elevado de los organismos de una especie fallan en hacerlo entonces la especie se extingue. Por supuesto, la reproducción es esencial para la existencia de Vida en la Tierra.

Espermatozoides, los gametos masculinos, en acción para la reproducción sexual.

Bases Moleculares de la Reproducción

Desde el inicio de la vida hace más de 3.8 Ga (3 mil 800 millones de años) los organismos unicelulares se han reproducido mediante procesos de división que reparten los componentes celulares entre dos células hijas. 

Cada una de ellas con una copia completa de toda la información genética necesaria para dirigir la producción de todas las macromoléculas celulares (ARN, ADN y Proteínas). Como debes de recordar de Biología 1, casi toda la información necesaria para la Vida se guarda en moléculas de ADN.

El ADN es una doble hélice. Las 2 cadenas se reconocen por emparejamientos de bases: A con T y G con C

En el ADN la información se guarda 2 veces

En el ADN se guarda la información 2 veces con un alfabeto químico de 4 "letras" llamadas desoxirribonucleótidos cuyas bases nitrogenadas son, como deben de recordar, Guanina (G), Adenina (A), Citosina (C) y Timina (T). Los nucleótidos se emparejan mediante puentes de H específicos la G con C y la T con la A y viceversa:

Las 2 cadenas del ADN son antiparalelas y complementarias

Toda célula procede de otra célula progenitora y recibe de ella su información genética. Así pues, antes de cada división celular ocurre la Replicación del ADN. Las dos cadenas del ADN se separan y sirven de molde para rehacer las cadenas complementarias:

La G empareja a la C, la A a la T y viceversa:

                                                 5'TATgCgTAAAgCTTC3'

                                                 __________3'TTCgAAg5'

                                     --->
5'TATgCgTAAAgCTTC3'

3'ATACgCATTTCgAAg5'

                                    --->

                                                5'TATgC3'____________

                                                3'ATACgCATTTCgAAg5'

Así, la base molecular de la Reproducción es la Replicación del ADN. Donde cada cadena de nucleótidos es el molde para fabricar la cadena complementaria.

Primero unas enzimas separan las 2 cadenas y luego sendas ADNpolimerasas copian sobre el extremo 5' ensamblan la cadena de nucleótidos: A con T y G con C y viceversa.

En la replicación se forman dos moléculas de ADN con la misma información, excepto raros errores (aprox. 1 c/20 mil pb)

Replicación del ADN, representación más correcta por la exigencia de la orientación antiparalela de las cadenas del ADN.

Replicación del ADN de un procariote.

Replicación en un eucariote

En cada replicación los cromosomas lineales (eucarióticos) se acortan por sus extremos

1° se separan las cadenas. Una se replica continuamente y la otra en sentido contrario a trozos.

Así se forman dos moléculas idénticas a la original aunque cada una de ellas tiene una cadena vieja y otra nueva (replicación es semiconservativa). De ese modo cada célula hija tendrá la información para fabricar las macromoléculas necesarias para funcionar.

Cuando la célula requiere de una proteína o de un ARN funcional, entonces copia el gen correspondiente, pero usando un "alfabeto" distinto. En vez de GACT del ADN usa GACU del ARN. 

El proceso se llama transcripción del ADN porque se escribe la misma información, pero usando un conjunto de "signos" un poco distinto. En vez de T se usa U.

Noten que la secuencia de la cadena sentido se repite en el ARNm. Sólo que en vez de T se coloca U. Las reglas aplicadas sobre la cadena molde: A-->T, T-->A, C-->g y g-->C

Transcripción del ADN (trans- = a través, scrip- = escribir y -ción = proceso)

Como puedes ver en la imagen de arriba, la cadena antisentido es el molde para elaborar el ARN que crece por su extremo 3'. 

Transcripción de un gen. La ARNpol genera cientos o miles  de copias de la cadena sentido, las moléculas de ARN primario.

El producto de la Transcripción del ADN es una molécula de ARN, transcrito primario,  que debe procesarse para conformar el ARN mensajero. En los eucariontes como nosotros la secuencia codificante (exones) esta interrumpida por secuencias que deben retirarse, los intrones.

Transcrito primario (sólo en eucariotes)

El transcrito primario se procesa cortando exones y  empalmándolos (splicing en inglés) para generar ARN maduros (ARNr, ARNt y ARNm). En particular de un gen generar varios ARN mensajeros para producir distintas proteínas.

Corte y empalme de exones de cada transcrito primario, ARN 

Un gen, un ARN 1° y >1 ARNm

El flujo de la información genética se muestra que los genes se copian en moléculas de ARN funcionales y a partir del ARNm (mensajero) se dirige la síntesis de las Proteínas que participan como ejecutoras o auxiliares en todos los procesos celulares.

En las células, muchas de las moléculas de ARN fabricadas son de ARNr que se ensamblan con decenas de proteínas para constituir los ribosomas (las "máquinas" que fabrican proteínas) catalizando la formación del enlace peptídico.

Ribosoma. Unas moléculas de ARNr (cinta azul y gris) asociadas a decenas de ejemplares únicos de proteínas (<100). 

Otras son de ARNt (de transferencia) cuya función es transportar cada uno de los 20 tipos de aminoácidos proteícos al ribosoma y leer las instrucciones del ARNm.

Un ARNt. Noten del lado superior derecho el sitio donde se engancha el aminoácido y abajo el triplete de bases (anticodón) que leé al ARNm.

Las moléculas ARN mencionadas antes se llaman no codificantes (nc) porque no dirigen la síntesis de proteínas como el ARNm (m = mensajero. Recientemente se han descubierto muchas moléculas de ARNnc distintas que participan en la regulación de distintas fases del flujo de información y también en la defensa antiviral de las células.

La mayoría de las moléculas de ARN parecen pertenecer a la clase codificante, el ARNm. Estos, son una especie de "planos" de las proteínas que contienen el nombre (o codón) de cada uno de los aminoácidos que deben de ser unidos para fabricar los miles de proteínas que requiere una célula para funcionar.

20 clases de ARNt transportan aa de acuerdo a su anticodón para leer el ARNm.

En el ARNm se encuentra codificada la secuencia de aminoácidos que debe unir el ribosoma como una serie de tripletes de nucleótidos llamados codones. Hay 64 codones posibles y sólo 20 aminoácidos proteicos. Así que hay codones sinónimos para casi todos los aminoácidos. 



Por ejemplo: el codón:

GGG = glicina (Gly = G)

GGA = glicina (Gly = G)

GGC = glicina (Gly = G)

GGU = glicina (Gly = G)

UUU = fenilalanina (Phe = F)

UUC = fenilalanina  (Phe = F)

El esquema que contiene todos los codones y su equivalencia se llama código genético que es prácticamente Universal. En el esquema se especifican en círculos concéntricos la primera "letra": G, A, C o U; la segunda: G, A, C o U, la tercera "letra" de cada codón (también G, A, C o U) y el aminoácido que codifica. 

Código Genético, esquema tradicional

En el esquema circular mostrado abajo, los codones se muestran radialmente desde el centro hacia afuera. Los aminoácidos se escriben con su  símbolo de 3 letras. Los colores muestran el tipo de aminoácido:

Por ejemplo:

Ahora, traduce el pequeño trozo de ARN que simula ser un ARNm. Cópialo al procesador. Usa el código genético. Busca el codón de inicio y a partir de ese triplete coloca el símbolo de tres letras del aminoácido correspondiente. Precisamente como se muestra en la figura de arriba. Luego envía el ejercicio junto con el anterior a mi correo.

5'UAACGAUgUUAgCggUgAUgUggCUAUggggCUAUUAAG3'

5'UAACGAUgUUAgCggUgAUgUggCUAUggggCUAUUAAG3'

------------------Met-Leu-Ala-Val-_____________________

Bases celulares de la Reproducción

Mientras los organismos siguieron siendo unicelulares, la división celular siempre implicó la reproducción de los mismos. Pero, al evolucionar la multicelularidad, entonces la equivalencia división celular = reproducción, desapareció. 

En los organismos cuyo cuerpo está hecho de muchas células (multicelulares o pluricelulares), la división celular es el proceso que permite al organismo crecer y la reproducción tuvo que llevarse a cabo por procedimientos más complejos.

En los organismos pluricelulares la mayoría de las células no se dividen, excepto un tipo especial de células llamadas "madre" o "troncales". Estas células al dividirse generan una célula hija cuyo destino es diferenciarse en una célula especializada (muscular, grasa, epitelial, neurona, etc.) que trabaja para mantener al organismo entero hasta su muerte, mientras la otra célula hija se mantiene como célula troncal. Esto es necesario para que las células colaboren en beneficio del cuerpo entero. Pues los genes se transmitirán a la siguiente generación del cuerpo multicelular solamente a través de los gametos.

Por lo anterior es inadecuado hablar de Reproducción celular, aunque sea frecuente oír la expresión a maestros de biología. Ya que aunque hay células en nuestros cuerpos que a veces se reproducen (las células "Madre"), la mayoría no lo hace, a menos que enfermemos de cáncer.

Cuando en una célula especializada de nuestro cuerpo, el mecanismo que controla la división celular se descompone y esa célula se divide dando lugar a otras dos iguales y por tanto empieza su reproducción, entonces, se ha iniciado la cancerización. Como hay cientos de tipos de células en nuestro cuerpo, hay cientos de cánceres distintos, algunos muy virulentos.

Así, después de generaciones de células descendientes que no obedecen a las señales que les ordenan no dividirse, evolucionan linajes de células cancerosas -hábiles para tomar los recursos del cuerpo y reproducirse sin colaborar para mantener vivo a nuestro cuerpo.

Evolución de células cancerosas.

Alguno de esos linajes de células egoístas formarán los tumores metastásicos que nos llevarán a la muerte.

Células cancerosas migrando a otro sitio

Tipos de División celular

Hay fundamentalmente 3 tipos de división celular, a saber:

1. Amitosis (también llamada Fisión Binaria)
2. Mitosis (mito- = filamentos, -sis = proceso)
3. Meiosis (meio- = disminuir)

En los organismos procarióticos la división usada es la Amitosis (a- = no, sin ; mit- = filamento o hilo). Se llama así puesto que las bacterias observadas durante su división celular con el microscopio óptico de Campo Claro NO vemos los filamentos llamados cromosomas. Los que si son visibles, en cambio, durante la mitosis.  La amitosis genera dos células genéticamente idénticas.

La amitosis o fisión binaria consiste en los siguientes eventos:

• Replicación del ADN (1 nucleoide --> 2 nucleoides)
• Elongación celular (que separa ambos nuceloides)
• Formación de un tabique en la parte media de la célula

... como se muestra en la siguiente figura:

Vean este gif animado de la fisión binaria:

La mitosis evolucionó en algún momento entre hace 1,5 y 2 Ga durante la formación de la misma célula eucariótica a partir de la coevolución de la simbiosis de una eubacteria y una arqueobacteria.

Los eucariontes poseen sus información genética en juegos de varios cromosomas lineales, cada uno de ellos contiene una sola molécula de ADN. El número de cromosomas varía, según la especie desde organismos que tienen juegos de un cromosoma hasta cientos de ellos. 

Myrmicia pilosula, n =  1

Epidendrum cinnabarinum, n = 120

Recientemente se ha descubierto unas especies con más cromosomas en su genoma una planta de nombre Ophioglossum vulgatum. En cada célula su juego 1n =  630 cromosomas.

Por ello, el mecanismo para repartir a cada célula hija una copia de cada cromosoma del juego de la especie (en nuestro caso, 23 diferentes) es más complejo. Agreguemos que las células pueden tener 2 juegos (células diploides) o uno solo (células haploides).En todos los casos la mitosis da origen a dos células hijas genéticamente idénticas.

Los organismos pluricelulares contienen miles de millones de células descendientes de una sola, el cigoto. Hay una serie de mitosis separadas por un tiempo denominado interfase que se representa con un esquema circular, pues se repite n veces. El esquema se llama Ciclo Celular:

Interfase = G1 + S + G2. G0 = célula especializada que ya no se divide

La mitosis en los organismos multicelulares participa en varios procesos:

 Así, para su estudio, la Mitosis suele divide en las siguientes fases:

1. Profase (pro- = inicio)
2. Metafase (meta- = en medio)
3. Anafase (ana- = separar)
4. Telofase (telo- = fin)

En interfase la célula crece y funciona normalmente (fase G1), duplica sus centriolos y sus cromosomas (fase S) y se prepara para la mitosis (fase G2). 

Morado = ADN

Interfase. Azul = ADN y verde = citoesqueleto 

La mitosis inicia en la profase con los siguientes eventos. A veces los últimos dos eventos se distinguen como una fase distinta de la mitosis, la Prometafase. Lo cual sólo es una convención.

• La cromatina se condensa (enrolla) y conforma a los cromosomas que empiezan a verse como hilos largos que se engruesan y acortan.
• Cada par de centriolos se desplaza hacia un polo de la célula.
• Los elementos del citoesqueleto se ensamblan como Huso Acromático, bajo la influencia de los centriolos.
• La Envoltura Nuclear se disgrega mezclándose el nucleoplasma con el citosol.

Microscopio compuesto, epidermis de hoja. Azul = AD

Microscopio confocal, célula animal. Azul = ADN, verde = tubulina y rojo = mitocondria.

La metafase se alcanza cuando ocurre lo siguiente:

• El huso acromático queda completamente armado y con los centriolos en los polos.
• Los cromosomas a través de sus cinetocoros son colocados por los microtúbulos en la parte media de la célula.

Microscopio compuesto, Célula vegetal y Azul = ADN

Microscopio confocal. Azul = ADN, rojo = tubulina y ciano = cinetocoro.

Luego durante la anafase: 

• Se rompe la región centromérica (centr- = centro y mer- = parte) de los cromosomas metafásicos (que están duplicados)
• Así, cada cinetocoro (cinet- = movimiento t cor- del inglés core = centro), jala a su cromátida hacia polos opuestos.

Una vez que las cromátidas de cada cromosoma llegan a polos opuestos, ocurre la telofase que consiste en los eventos opuestos de la profase:

• Los cromosomas (en realidad las cromátidas) se descondensan (desenrollan) y empiezan a verse como hilos largos que se adelgazan y alargan.
• Los centriolos permanecen en los polos.
• Los elementos del Huso Acromático se desarman y conforman el citoesqueleto normal de la célula.
• La Envoltura Nuclear vuelve a formarse alrededor de los cromosomas de cada polo mientras se convierten en cromatina. 

Microscopio confocal. Rojo = ADN, verde = tubulina

Finalmente se inicia en la mayoría de las células la citocinesis (cito- = célula, cine- = movimiento y -sis = proceso) . En la citocinesis un anillo de proteínas motoras debajo de la membrana plasmática colocado por el huso forma una "cintura" como si se apretase un cinturón y termina por repartir el citoplasma entre dos células hijas.

MIcroscopio electrónico de barrido.

La mitosis es un proceso continuo lo dividimos en fases para describirla mejor.

Células en Mitosis bajo el microscopio confocal. Verde = microtúbulos del huso. blanco = ADN

Observa este gif animado. Identifica el inicio de la mitosis y las 4 fases principales (profase, metafase, anafase y Telofase)

La Meiosis, en cambio, coevolucionó junto con la singamia (la unión de gametos) cuando algunos linajes de protistas unicelulares desarrollaron ciclos de vida con alternancia de generaciones. 


De modo que una generación haploide (con 1 juego de genes) daba origen a una generación diploide (con 2 juegos) por medio de la fusión de sendas células. En realidad como mecanismo de reparación del ADN adicional puesto que el genoma de los eucariotes se fue haciendo más grande y susceptible a daños. Parafraseando un dicho.

Bicho precavido tiene ADN de respaldo.

Luego, el organismo unicelular diploide (en nosotros sería nuestra primera célula, el cigoto) da origen a 4 organismos unicelulares haploides ( hapl- = simple = 1 y -oide = parecido a...) mediante una división celular consistente en dos mitosis modificadas en serie sin la duplicación del ADN entre ellas. 

Esas dos divisiones disminuyen el número de juegos de cromosomas de nuevo a uno sólo. De ahí deriva el  nombre de la meiosis (meio- = restar, disminuir), dado que es el proceso que reduce el número de juegos de cromosomas de 2 a 1, del estado diploide 2n al haploide n, (di- = 2, plo- = multiplicado por...  y -oide = apariencia)

La importancia biológica de la meiosis deriva del intercambio de cromátidas que ocurre durante la profase 1 llamado Entrecruzamiento de Cromátidas. Al aparearse los cromosomas homólogos se entrecruzan segmentos equivalentes entre las cromátidas provenientes de ambos progenitores. 

Entrecruzamiento de cromátidas

El Entrecruzamiento de cromátidas las hace distintas a todas ellas.

Lo cual forma cromosomas con nuevas combinaciones de genes a partir de las variantes de los genes del padre y de la madre. Así las cuatro células hijas generadas por la meiosis son genéticamente distintas. (apréndanlo muy bien, lo usaremos en genética y evolución)

La Meiosis, en consecuencia, se divide para su estudio en 2 divisiones meióticas (sendas mitosis modificadas) separadas por una interfase meiótica que duplica centriolos, pero no ADN. A saber:

• Primera División Meiótica
• Profase 1
• Metafase 1
• Anafase 1
• Telofase 1
• Interfase Meiótica
• Segunda División Meiótica
• Profase 2
• Metafase 2
• Anafase 2
• Telofase 2

Fases de la Meiosis

Ahora vean este gif de la meiosis completa:

Ahora, para resumir, vean las diapositivas de la siguiente presentación. También existe la presentación en forma de video de una versión anterior de la presentación aquí.

CG2. La ciencia no excluye al arte. Espero puedan apreciar la belleza de esta obra que representa una porción de sendas células en contacto. Los componentes se muestran a escala.

Aduéñense de su destino.

Para aquellos que todavía no lo han hecho. Les recuerdo que deben de colocar un buen retrato de ustedes en su TEAMS y en Telegram, de otra manera no los podré reconocer.

CG2. Les dejo de regalo un enlace a una pieza de música:



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