La meiosis y la reproduccin sexualLa reproduccin asexual en muchos protozoos, algas y hongos, es decir, divisin celular simple o mitosis es simple y directa, da lugar a una descendencia que es genticamente idntica al organismo paterno. En cambio, la reproduccin sexual implica la mezcla de los genomas procedentes de dos individuos distintos, para producir descendientes que suelen diferenciarse genticamente entre s y tambin de sus progenitores. Las grandes ventajas de este tipo de reproduccin han hecho que resulte adoptada por la mayora de los animales y plantas, incluso algunos procariotas y eucariotas unicelulares. El ciclo de la reproduccin sexual supone una alternancia de generaciones de clulas haploides (cada una de las cuales contiene una dotacin sencilla de cromosomas) con generaciones de clulas diploides (cada una de las cuales contiene una dotacin doble de cromosomas. La mezcla de genomas se consigue por medio de la fusin de clulas haploides formando una clula diploide, posteriormente el descendiente de esta ltima se dividir por meiosis y generara clulas haploides La meiosis es un tipo especial de divisin celular,su raz griega significa disminucin y no existe conexin con el trmino mitosis cuya raz significa hilo en alucin a los cromosomas.La reproduccin se realiza por medio de gametos o clulas sexuales generados por meiosis espermatozoides y vulos en los animales, los cuales se unen por un proceso denominado fecundacin. Ello da origen al cigoto o clula huevo, que porta el material hereditario de los dos progenitores y se reproduce por mitosis hasta formar un nuevo individuo multicelular. El genoma humano posee 46 cromosomas (44 + XY en el varn; 44 + XX en la mujer). Si la divisin fuese por mitosis, cada gameto tendra 46 cromosomas y el cigoto 92. Dado que esto se repetira en las sucesivas generaciones, el nmero de cromosomas se duplicara de generacin en generacin. La meiosis es el mecanismo usado por los organismos para evitar que ello suceda. As, mediante dos divisiones celulares consecutivas las clulas sexuales reducen a la mitad el nmero de sus cromosomas, con generacin de gametos haploides (cuatro espermatozoides en el varn; un vulo y cuerpos polares en la mujer). Los procesos que llevan a la produccin de gametos llamados espermatognesis y ovognesis tienen lugar en las gnadas, es decir, en los testculos y los ovarios. A continuacin describiremos la meiosis como un tipo especial de divisin celular. En ella se producen: 1) la reduccin del nmero de cromosomas a la mitad; 2) la recombinacin gentica, es decir, el intercambio de segmentos cromosmicos, y 3) la segregacin al azar de los cromosomas homlogos paternos y maternos. Se define como cromosomas homlogos a los dos cromosomas virtualmente idnticos uno aportado por el padre y el otro por la madre que conviven en las clulas diploides. Debido a que en las clulas somticas humanas existen dos juegos haploides de 23 pares de cromosomas cada uno-un juego haploide aportado por el espermatozoide y otro aportado por el ovocito-, se dice que poseen 23 pares de homlogos

La ubicacin del proceso meitico varia en los distintos tipos de ciclos vitales presentan los organismos. En el ciclo diplonte caracterstico de los animales, la meiosis es gametognica, es decir, se realiza para formar las gametas. En el ciclo haplonte correspondiente a algunas algas y hongos, la meiosis se realiza en la cigota y origina clulas reproductoras asexuales denominadas esporas. En el ciclo diplohaplonte o de alternancia de generaciones caractersticos de plantas, la meiosis tambin es esporognica y se realiza en ciertas clulas de un individuo adulto diploide.

Diferencias entre la mitosis y la meiosis. Muchos de los fenmenos que ocurren en la mitosis suceden tambin en la meiosis. Por ejemplo, la secuencia de cambios en el ncleo y en el citoplasma, los perodos de profase, prometafase, metafase, anafase y telofase, la formacin del huso mittico, la condensacin de los cromosomas, la evolucin de los centrmeros, etc. Existen, sin embargo, diferencias esenciales: 1) La mitosis tiene lugar en las clulas somticas y la meiosis en las clulas sexuales. 2) En la mitosis cada replicacin del ADN es seguida por una divisin celular; en consecuencia, las clulas hijas presentan la misma cantidad de ADN que la clula madre y un nmero diploide de cromosomas. En cambio, en la meiosis cada replicacin del ADN es seguida por dos divisiones celulares -la meiosis I y la meiosis II-, de las cuales resultan cuatro clulas haploides que contienen la mitad del ADN. 3) En la mitosis la sntesis del ADN se produce durante la fase S, que es seguida por la fase G2. En la meiosis, la fase S es ms larga y la G2 es corta o falta. 4) En la mitosis cada cromosoma evoluciona en forma independiente. En la meiosis -durante la primera de sus divisiones- los cromosomas homlogos se relacionan entre s (se aparean) e intercambian partes de sus molculas (se recombinan). 5) La duracin de la mitosis es corta (1 hora aproximadamente), mientras que la meiosis es bastante larga (en el varn insume 24 das y en la mujer varios aos)

Otra diferencia fundamental es que en la mitosis el material gentico permanece constante en las sucesivas generaciones de clulas hijas (a menos que ocurran mutaciones genticas o aberraciones cromosmicas), mientras que la meiosis genera una gran variabilidad gentica.6)

Descripcin general de la meiosis Como se observa en la primera figura, las divisiones meiticas comienzan despus de varias divisiones mitticas de los espermatogonios y los ovogonios, es decir, de las clulas germinativas menos diferenciadas del testculo y el ovario. Al trmino de las divisiones mitticas, parte de los espermatogonios y de los ovogonios se diferencian, respectivamente, en espermatocitos I y en ovocitos I, los cuales llevan a cabo la meiosis I. Como corolario de la primera divisin meitica se generan los espermatocitos II y el ovocito II, que son las clulas que realizan la meiosis II. Finalmente, la segunda divisin meitica culmina con la formacin de las espermtides y el vulo. Debe agregarse que las espermtides se convierten en espermatozoides y que en la mujer se le da el nombre de vulo al ovocito II. Seguidamente se muestra las divisiones mitticas y meiticas de las clulas germinativas, la formacin del cigoto y las dos primeras divisiones de segmentacin. Adems, seala la condicin haploide o diploide y el contenido del ADN nuclear de las clulas que llevan a cabo esos procesos, de cuyo anlisis se ocupan las prximas secciones. La meiosis comprende dos divisiones celulares Ya dijimos que la meiosis comprende dos divisiones celulares. La meiosis I se distingue de la meiosis II (y de la mitosis) porque su profase es muy larga y en su transcurso los cromosomas homlogos se aparean y recombinan para intercambiar material gentico. Los perodos de la mitosis son insuficientes para describir los fenmenos que ocurren en la meiosis, cuyos estadios progresan en el siguiente orden:

En primer trmino analizaremos detalladamente los cambios que suceden durante la meiosis I comenzando por los estadios de la profase I- que como se vio tienen lugar en los espermatocitos I y los ovocitos I. Durante el preleptonema los cromosomas son difciles de observar El preleptonema corresponde a la profase temprana de la mitosis. Los cromosomas son muy delgados y difciles de observar.

Durante el leptonema los cromosomas aparentan ser simples Al comenzar el leptonema (del griego lepts, delgado, y nema, filamento) el ncleo aumenta de tamao y los cromosomas se tornan visibles. Adems presentan una gran diferencia respecto de los cromosomas de la profase mittica: a pesar de haberse duplicado su ADN (durante la fase S) y, por lo tanto, contener dos cromtidas cada uno, parecen ser simples en vez de dobles. Con frecuencia la mayora de los cromosomas se doblan y sus dos extremos (los telmeros) se fijan en un rea circunscrita de la

envoltura nuclear cercana al centrosoma. Durante el cigonema se produce el apareamiento de los cromosomas homlogos, entre los cuales se forma el complejo sinaptonmico Durante el cigonema (del griego zygn, pareja) tiene lugar el primer fenmeno esencial de la meiosis: los cromosomas homlogos se alinean entre s mediante un proceso denominado apareamiento o sinapsis. El apareamiento comprende la formacin de una estructura compleja observable con la ayuda del microscopio electrnico, conocida con el nombre de complejo sinaptonmico (CS). El proceso puede comenzar en cualquier punto de los cromosomas. As, en algunos casos los homlogos se unen primero a nivel de uno de sus extremos y la unin progresa hacia el otro extremo como un cierre relmpago. En otros, en cambio, la asociacin se produce simultneamente en varios puntos a lo largo de los homlogos. El apareamiento es muy exacto y especfico, pues se produce punto por punto entre los homlogos. No obstante, los cromosomas quedan separados por una distancia de unos 200 nm, que es ocupada por el complejo sinaptonmico. En trminos moleculares esta separacin es considerable, pues el dimetro del ADN es de 2 nm y algunas partes de ambos ADN deben desplazarse 100 nm para poder encontrarse y recombinarse en medio de ese espacio. El CS est integrado por dos componentes laterales y un componente central. Los componentes laterales se desarrollan al final del leptonema y el central aparece durante el cigonema. Sobre cada componente lateral se aplican las dos cromtidas hermanas de uno de los cromosomas homlogos.

En un corte transversal, los componentes laterales se hallan separados del componente central por espacios regulares de idntico ancho. En conjunto, el CS tiene el aspecto de una escalera, con peldaos que la cruzan a intervalos de 20 a 30 nm. Tales peldaos, formados por filamentos muy delgados, aparentan cruzar todo el ancho del CS, desde un componente lateral al otro. Tanto los filamentos transversales como los componentes laterales contienen protenas fibrilares.

En las cromtidas hermanas las fibras de 30 nm forman asas, cada una de las cuales contiene entre 5 y 25 m de ADN. Durante el leptonema las asas de cromatina tienen una disposicin laxa en el eje del cromosoma. Despus, a medida que la cromatina se condensa, las asas aparecen cada vez ms juntas al lado de los componentes laterales del CS. Ms an, igual que en los cromosomas mitticos, en los meiticos existe un armazn de protenas no histnicas para sostener a las asas de cromatina; la diferencia con los meiticos es que a stos se les agregan los componentes del CS. La fijacin de los telmeros a la envoltura nuclear ordena espacialmente a los cromosomas, lo que favorece el alineamiento de los homlogos. Una vez formados los CS, sus extremos tambin se insertan en la envoltura nuclear. En los puntos donde lo hacen aparecen engrosamientos llamados placas de fijacin. Una de las funciones del CS es estabilizar el apareamiento de los homlogos y facilitar su recombinacin. As, las molculas proteicas de sus componentes laterales permiten que los ADN de los cromosomas homlogos se dispongan de manera tal que el intercambio entre ellos resulte favorecido. En consecuencia, el CS debe ser considerado un armazn proteico que se construye para que se produzca el alineamiento y la recombinacin de los homlogos. Cuando comienza el apareamiento, el acortamiento de los cromosomas es ya muy pronunciado y existe por lo menos una relacin 300:1 entre el largo del ADN y la longitud cromosmica. Esto significa que slo el 0,3% del ADN de los cromosomas homlogos se halla en contacto directo con los componentes laterales del CS.

Durante el paquinema se recombinan las cromtidas homologas Durante el paquinema (del griego pachys, grueso) los cromosomas se acortan y el apareamiento de los cromosomas homlogos se completa. Pero lo ms importante de este perodo es que se produce el intercambio de segmentos de ADN entre las cromtidas homlogas, fenmeno que lleva el nombre de recombinacin gentica (en ingls, crossingover).

Los sucesos que conducen a la recombinacin son muy complejos. No obstante, se producen cortes en las dos cromtidas seguidos por el cruce y el empalme de los segmentos que se intercambian. El paquinema es un proceso relativamente prolongado. Su duracin se mide en das, a diferencia del leptonema y el cigonema, que se miden en horas. En el paquinema el ncleo parece contener un nmero haploide de cromosomas, pero no es as, ya que cada una de las unidades visibles se compone de dos cromosomas independientes, si bien ntimamente apareados. Por tal motivo, cada uno de los 23 pares de cromosomas recibe el nombre de bivalente. Dado que cada conjunto est integrado por cuatro cromtidas, se llama tambin ttrada. Las dos cromtidas hermanas de cada cromosoma se hallan conectadas por el centrmero, por lo que en un bivalente o ttrada existen dos centrmeros, uno por cromosoma. Igual que en la mitosis, cada centrmero contiene dos cinetocoros, uno por cada cromtida hermana. Sin embargo, hasta la finalizacin de la meiosis I los cinetocoros hermanos se comportan como una unidad. A lo largo del bivalente, en el CS aparece una sucesin de ndulos densos de alrededor de 100 nm de dimetro, denominados ndulos de recombinacin. Su nmero y sus localizaciones coinciden con los sitios de recombinacin gentica, lo que sugiere que a nivel de ellos ocurre el intercambio de los segmentos de ADN entre las cromtidas homlogas. Para que se produzca la recombinacin, las molculas de ADN de las cromtidas homologas deben situarse a una distancia de aproximadamente 1 nm en el componente central del CS. Se cree que ese virtual contacto ocurre a nivel de los filamentos transversales que unen a los componentes laterales, por los cuales las secuencias de nucletidos homlogas se buscaran, hecho imprescindible para que tenga lugar el intercambio de los segmentos de ADN. El ndulo de recombinacin podra considerarse la expresin morfolgica de ese intercambio. Ms an, el ndulo sera un complejo multiproteico que rene a las cromtidas paternas y maternas y produce los cortes y empalmes necesarios para la recombinacin. Entre las protenas que actan al comienzo de la recombinacin se encuentra la Rad51 (por radialion sensitive). Obsrvese cmo la cadena invasora se combina con la doble hlice de la cromtida homologa y da lugar a una triple hlice transitoria. Se considera que la cadena invasora se acomoda en el surco mayor de la doble hlice y que sus bases se unen con las de la cromtida homologa mediante puentes de hidrgeno inusuales.

Durante el diplonema los cromosomas apareados se separan, aunque en algunos puntos permanecen unidos Durante el diplonema (del griego diplos, doble) los cromosomas homlogos comienzan a separarse, de modo que las cromtidas de la ttrada se vuelven visibles y el complejo sinaptonmico se desintegra. Sin embargo, la separacin no es completa, ya que las cromtidas homlogas permanecen conectadas en los puntos donde ha tenido lugar el intercambio. Tales conexiones llamadas quiasmas (del

griego khasma, cruz) expresan la etapa final de la recombinacin, pues muestran a los cromosomas homlogos en vas de separarse, ligados todava por esos puntos. El nmero de quiasmas es variable, ya que pueden aparecer pares de cromosomas homlogos con un solo quiasma (es el nmero mnimo) y otros con varios. Ms an, la cantidad de quiasmas y sus ubicaciones suelen coincidir con las de los ndulos de recombinacin. En la mujer el diplonema es un perodo extraordinariamente largo. Todos los ovocitos I arriban a esta fase del ciclo celular antes del sptimo mes de la vida intrauterina y permanecen as como mnimo hasta la pubertad. En el diplonema, diversos sectores de la cromatina experimentan un fuerte desenrollamiento. Situaciones extremas de este fenmeno se observan en los peces, los anfibios, los reptiles y las aves, en los que el desenrollamiento es tan acentuado que los bivalentes suelen asumir una configuracin especial emiten finas proyecciones laterales, motivo por el cual se los llama cromosomas plumulados o en cepillo. Esas proyecciones son asas de cromatina muy desenrolladas, cuyo ADN se transcribe a gran velocidad. As, tal configuracin cromosmica expresa una intensa sntesis de ARN por parte de la clula, que es la causa del enorme crecimiento que experimenta el ovocito antes de ser expulsado del ovario. En algunas de las clases zoolgicas nombradas, a lo largo de los cromosomas pueden detectarse engrosamientos de cromatina dispuestos entre las asas llamados crommeros, con un aspecto de collar de cuentas. Los crommeros corresponden a

sectores de cromatina altamente condensada, al contrario de la cromatina de las asas, que como acabamos de ver se encuentra bastante desenrollada. Los crommeros comienzan a verse a partir del leptonema.

Durante la diacinesis la cromatina se vuelve a condensar Durante la diacinesis (del griego di, a travs) la condensacin de los cromosomas vuelve a acentuarse. Las ttradas se distribuyen homogneamente por todo el ncleo y el nuclolo desaparece. A excepcin del aspecto de los cromosomas, este breve estadio muestra semejanzas con la profase tarda de la mitosis.

En las restantes etapas de la divisin meitica I los cromosomas homlogos se separan y se dirigen hacia los polos opuestos de la clula Durante la prometafase I la condensacin de los cromosomas alcanza su grado mximo. La carioteca desaparece y los microtbulos del huso se conectan con los cinetocoros. Esta conexin es distinta de la registrada en la mitosis porque las fibras del huso provenientes de cada polo celular se asocian con los dos cinetocoros hermanos y no con uno. Durante la metafase I los bivalentes se disponen en el plano ecuatorial de la clula. Debido al modo como se conectan las fibras del huso, los cinetocoros de cada cromosoma homlogo miran hacia un mismo polo. Los bivalentes continan exhibiendo sus quiasmas. Cuando los cromosomas son cortos, los quiasmas se localizan en los extremos de los homlogos (quiasmas terminales); cuando los cromosomas son largos, los quiasmas aparecen en varios puntos a lo largo de los ejes cromosmicos (quiasmas intersticiales). Durante la anafase I los cinetocoros opuestos son traccionados hacia los respectivos polos, de modo que los homlogos de cada bivalentecada uno integrado por dos cromtidas hermanas se separan entre s y se movilizan en direcciones opuestas. La observacin de los bivalentes en esta fase permite comprobar que a menudo la recombinacin gentica se produce entre las cromtidas de los dos pares de homlogos. As, en algunos tramos del cromosoma la recombinacin tiene lugar entre un par de cromtidas homlogas no estamos diciendo hermanas y en otros tramos ocurre entre las cromtidas del otro par. Por consecuencia, al separarse por completo los cromosomas homlogos, en las clulas hijas las dos cromtidas de cada cromosoma son mixtas, pues tienen segmentos cromosmicos tanto paternos como maternos. Durante la telofase I los grupos cromosmicos haploides llegan a sus respectivos polos y en torno de ellos se construyen las envolturas nucleares. Entre las dos divisiones meiticas existe una interfase de corta duracin La telofase I es seguida por la particin del citoplasma, y las dos clulas hijas pasan por un corto perodo de interfase en el que no hay replicacin del ADN (no hay fase S). Por consiguiente, las clulas hijas derivadas de la meiosis I poseen un nmero haploide de cromosomas, cada uno de stos compuesto por dos cromtidas hermanas. En el varn el resultado de la meiosis I es la formacin de dos clulas hijas iguales, denominadas espermatocitos II. En cambio,

en la mujer, debido a que el reparto del citoplasma del ovocito I es desigual, se forman dos clulas de tamao muy diferente: el ovocito II, que es relativamente voluminoso, y el primer cuerpo polar, que es pequeo y desaparece. Los espermatocitos II y el ovocito II comienzan la meiosis II, cuyas etapas, como se ver a continuacin, son similares a las de la mitosis. En la divisin meitica II se separan las cromtidas hermanas La profase II es muy breve, aunque suficiente para permitir la reaparicin de las fibras del huso y la desaparicin de la envoltura nuclear. La metafase II lleva a los cromosomas al plano ecuatorial de la clula. Las fibras del huso se conectan a los cinetocoros, los cuales se colocan como en los cromosomas mitticos, es decir, uno apuntando a un polo y el otro al polo opuesto.

En la anafase II, debido a la traccin que las fibras del huso ejercen sobre los cinetocoros, el centrmero se divide y las cromtidas hermanas de cada cromosoma son separadas y traccionadas hacia los polos opuestos de la clula. En la telofase II cada uno de los polos de la clula recibe un juego haploide de cromtidas, que pasan a llamarse cromosomas. La formacin de una nueva envoltura nuclear en torno de cada conjunto cromosmico haploide seguida por la particin del citoplasma pone fin a la meiosis. Como se acaba de ver, la meiosis II se asemeja a la mitosis, excepto porque en la primera las clulas hijas reciben una sola copia de cada cromosoma y no los dos homlogos. En el varn el resultado de la meiosis II es la formacin de dos clulas hijas iguales denominadas espermtides que al cabo de un tiempo se diferencian en espermatozoides. En cambio, en la mujer, debido a que el reparto del citoplasma del ovocito II es desigual, se forman dos clulas de tamao muy diferente: el vulo, que es voluminoso, y el segundo cuerpo polar, que como el primer cuerpo polar es pequeo y desaparece. En sntesis, la meiosis genera cuatro espermatozoides a partir de cada espermatocito I, y un solo vulo a partir de cada ovocito I.

Consecuencias genticas de la meiosis Los procesos esenciales de la meiosis son: 1) la reduccin del nmero de cromosomas a la mitad; 2) la recombinacin gentica; 3) la segregacin de los cromosomas paternos y maternos. As, desde el punto de vista gentico la meiosis puede considerarse un mecanismo destinado a distribuir al azar los genes paternos y maternos en los gametos, tanto por la recombinacin gentica como por la segregacin de los cromosomas homlogos. Las consecuencias genticas de la meiosis en una clula hipottica que contiene tres pares de cromosomas homlogos, en los cuales se produjeron una, dos y tres recombinaciones, respectivamente. Las recombinaciones son sealadas por los quiasmas, y se ve que han tenido lugar slo en uno de los dos pares de cromtidas homlogas. No obstante, la recombinacin se produce no entre uno sino entre los dos pares de cromtidas homlogas, de modo que al concluir la meiosis todos los cromosomas de los gametos presentan segmentos maternos y paternos alternados. La segregacin al azar de los cromosomas paternos y matemos durante las anafases I y II tambin contribuye a la diversidad gentica de los gametos, pero en distinto grado. Dado que el varn posee 23 pares de cromosomas homlogos en las clulas predecesoras de los gametos, las combinaciones de segregacin posibles alcanzan el

nmero de 8.388.608 (223). A ellas deben sumarse las incontables posibilidades de segregacin de los genes mediante la recombinacin. En sntesis, al examinarse las consecuencias derivadas de la asociacin de ambos procesos la recombinacin gentica y la segregacin de los homlogos, se puede observar que cada uno de los gametos a que da lugar la meiosis hereda conjuntos de genes diferentes. Accidentalmente, la segregacin de los homlogos puede fallar, de manera que los dos homlogos de un par no se separan y pasan juntos a una de las clulas hijas. Este fenmeno llamado no disyuncin puede ocurrir en la anafase I o en la anafase II de la meiosis y por su causa uno de los gametos contendr un cromosoma de ms (24) y el otro uno de menos (22). Si uno de estos gametos participa en la fecundacin, las clulas somticas del nuevo individuo poseern un nmero anormal de cromosomas (47 y 45, respectivamente). Estos cuadros llevan el nombre de aberraciones cromosmicas numricas, de las cuales el sndrome de Down es el ejemplo ms conocido. En el sndrome de Down las clulas contienen 47 cromosomas, ya que existen tres unidades del cromosoma 21 en lugar de dos. En la mujer la meiosis puede durar alrededor de 50 aos En el embrin humano las clulas germinativas primitivas aparecen en la pared del saco vitelino a los 20 das de la fecundacin. De all emigran a los esbozos gonadales, donde en el embrin femenino se dividen y se transforman en ovogonios. Entre el tercero y el sptimo mes de la vida prenatal los ovogonios entran en meiosis y se convierten en ovocitos I; permanecern en el perodo diplonmico hasta el comienzo de la pubertad. Durante este diplonema tan prolongado los cromosomas experimentan un tipo especial de desenrollamiento que los asemeja aunque lejanamente a los cromosomas plumulados. A partir de la pubertad, en cada ciclo menstrual varios ovocitos I reanudan la meiosis I, pero sta se completa en uno solo, que se convierte en ovocito II. Los restantes ovocitos I degeneran en el ovario. Debe sealarse que a veces son dos los ovocitos I que completan la meiosis I, y que con menos frecuencia son ms de dos. Cuando el ovocito II se libera del ovario (ovulacin) e ingresa en la trompa de Falopio, ya ha iniciado la meiosis II, pero sta prosigue slo si el ovocito es fecundado por un espermatozoide; ms an, la falta de fecundacin hace que el ovocito II muera en pocas horas. Contrariamente, la fecundacin activa en el ovocito II algunos mecanismos que impulsan la continuacin de la meiosis II, al cabo de la cual se generan el cigoto (o clula huevo) y el segundo cuerpo polar. Como se ve, el vulo no se forma en ningn caso, aunque a menudo se emplea su nombre cuando se menciona al ovocito II. En la recin nacida el nmero de ovocitos I es de alrededor de un milln. A la edad de 12 aos se reducen a 300.000, de los cuales cerca de 400 alcanzarn la madurez total entre esa edad y la menopausia. Por lo tanto, en la mujer la meiosis puede durar alrededor de 50 aos, lo que explica por qu a medida que aumenta la edad materna la proporcin de aberraciones cromosmicas en la descendencia es cada vez mayor. En el varn la meiosis comienza a partir de la pubertad En el embrin masculino, las clulas germinativas primitivas provenientes del saco

vitelino arriban a los esbozos gonadales y se incorporan a los tbulos seminferos en formacin, donde se convierten en espermatogonios. Estos entran en meiosis a partir de la pubertad. Como vimos, cada uno genera cuatro espermatozoides. La profase I dura unos 14 das y la meiosis se completa en alrededor de 24 das. A diferencia de la ovognesis, la espermatognesis prosigue hasta una edad relativamente avanzada.

FECUNDACION Caractersticas de los gametos en el momento de la fecundacin La fecundacin suele producirse en el tercio externo de la trompa de Falopio, adonde arriba el ovocito II sin haber completado la meiosis II luego de la ovulacin. El ovocito es una clula de tamao sumamente grande, que posee numerossimas microvellosidades y se halla envuelta, por la membrana pelcida y las clulas foliculares de la corona radiante. La membrana pelcida contiene abundante cantidad de glicoprotenas, entre las cuales se destacan la ZP2 y la ZP3 (por zona pellucida). Por su lado, las clulas de la corona radiante se hallan unidas entre s por un material cementante rico en cido hialurnico. El espermatozoide posee una cabeza, un cuello y una cola. En la cabeza debe resaltarse la presencia del acrosoma, que es un derivado lisosmico que contiene varias clases de

enzimas hidrolticas, dos de las cuales, la hialuronidasa y la acrosina, desempean importantes funciones durante la fecundacin. Las dos ltimas etapas de la diferenciacin de los espermatozoides llamadas maduracin y capacitacin tienen lugar en el epiddimo y en el tracto genital femenino, respectivamente. En su transcurso se afinan, a nivel molecular, ciertos detalles de algunas estructuras de los espermatozoides, imprescindibles para que uno de ellos fecunde al ovocito II y se forme la clula huevo o cigoto. Los espermatozoides adquieren movimientos de hiperactivacin Entre otros cambios, la capacitacin da lugar a la aparicin de movimientos muy enrgicos en la cola de los espermatozoides, los cuales se distinguen con el nombre de hiperactivacin. As, abruptamente, los espermatozoides pasan de un tipo de movimiento delicado y lineal a otro vigoroso y errtico, aunque intercalado con breves episodios de desplazamientos lineales. Como se ve, una sustancia inductora desconocida (o factor capacitante) interacta con un receptor de la membrana plasmtica del espermatozoide situado probablemente a la altura de su cuello y el dominio citoslico del receptor activa a una protena G. Esta, a su vez, abre un canal de Ca2+ e induce la entrada del ion desde el medio extracelular al citosol. Dado que la protena G activa tambin a la enzima adenilato ciclasa, se incrementa el AMPc citoslico y se activa la quinasa A. A su turno, la quinasa A desencadena una cascada de reacciones que culmina con la fosforilacin de una protena de 15 kDa asociada a los microtbulos del axonema. Finalmente, ante la presencia de ATP que provee energa, tanto el Ca2+ como la protena de 15 kDa activan el deslizamiento de las dinenas entre los microtbulos, y con ello los movimientos de hiperactivacin en la cola del espermatozoide.

La fecundacin se divide en varas fases La fecundacin se inicia a partir del momento en que no ms de cien espermatozoides completamente diferenciados se es el nmero que llega al tercio externo de la trompa de Falopio establecen contacto con las clulas foliculares que envuelven al ovocito II. Para su mejor comprensin, el proceso de la fecundacin suele dividirse en las siguientes fases: 1) Penetracin de la corona radiante. Una vez que toma contacto con la corona radiante, cada espermatozoide -con su acrosoma intacto- trata de alcanzar la membrana pelcida avanzando entre las clulas foliculares. Para ello construye una especie de tnel en el cido hialurnico que las une, con la ayuda de pequeas cantidades de hialuronidasa que lleva en su membrana plasmtica (esta enzima es qumicamente

idntica a la contenida el acrosoma). La fuerza mecnica derivada de los movimientos de hiperactivacin impulsa el avance del espermatozoide. As, mientras la hialuronidasa digiere localmente el cemento intercelular, los movimientos de hiperactivacin hacen avanzar al espermatozoide. Es posible que este mecanismo acte como un filtro selectivo para que lleguen a la membrana pelcida slo los espermatozoides ms aptos. 2) Reaccin acrosmica. Cuando el espermatozoide alcanza la membrana pelcida y se pone en contacto con ella, en su parte frontal se desencadena un proceso llamado reaccin acrosmica, que da lugar a mltiples reas de fusin entre la membrana externa del acrosoma y la membrana plasmtica del gameto. Ello genera la formacin de poros por los que se escapan las enzimas acrosmicas y luego la desaparicin de ambas membranas. Por consecuencia, en la regin frontal del espermatozoide, en reemplazo de la desaparecida membrana plasmtica queda expuesta al exterior una nueva membrana, la acrosmica interna. El mecanismo molecular que lleva a la reaccin acrosmica es el siguiente : La ZP3 de la membrana pelcida interacta con un receptor de la membrana plasmtica del espermatozoide, que activa a una protena G. Esta hace lo propio con la enzima fosfolipasa C, que genera inositol trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG) a partir de fosfatidilinositol difosfato (PIP2). El IP3 abre canales de Ca2+ en la membrana del REL y permite que el ion pase de ese organoide al citosol. Debido a que en el espermatozoide la mayor parte del IP 3 se convierte en inositol tretrafosfato (IP4) y a que ste abre canales de Ca 2+ en la membrana plasmtica, el ion ingresa desde el exterior y se incrementa an ms su concentracin en el citosol. El pH citoslico tambin aumenta porque la entrada de Ca2+ desde el exterior se halla acoplada a la salida de H+. Por su parte, el DAG activa a la quinasa C, que desencadena una sucesin de fosforilaciones en varias protenas. En la activacin de las fosfolipasas A y D por medio de la protena G. Dado que la primera elimina un cido graso de la fosfatidilcolina y la segunda remueve la colina, generan lisofosfatidilcolina y cido fosfatdico, respectivamente. La protena G activa tambin a la enzima adenilato ciclasa, que forma AMPc a partir de ATP. A su vez, el AMPc activa a la quinasa A, que fosforila a varias protenas. Finalmente, todos los cambios mencionados hacen que se formen mltiples reas de fusin entre la membrana acrosmica externa y la membrana plasmtica del espermatozoide, y que esas fusiones den origen a orificios de dimetros crecientes que eliminan a las membranas. En sntesis, dichos cambios desencadenan la reaccin acrosmica. Debe agregarse que antes de la reaccin acrosmica tienen lugar dos procesos biolgicos, el reconocimiento y la adhesin de los gametos. Ambos son consecuencia de la interaccin de la ZP3 de la membrana pelcida con el receptor de la membrana del espermatozoide. En los puntos que siguen se ver cmo la reaccin acrosmica hace posible el desprendimiento de la corona radiante del ovocito II, el pasaje del espermatozoide a travs de la membrana pelcida y la fusin de las membranas plasmticas de los gametos. 3) Denudacin. La denudacin consiste en el desprendimiento de la corona radiante del ovocito II. Las clulas foliculares de la corona son separadas por la hialuronidasa que sale de los acrosomas, ya que esta enzima hidroliza al cido hialurnico que las mantiene unidas.

4) Penetracin de la membrana pelcida. Como se vio, la membrana acrosmica interna queda expuesta cuando desaparecen la membrana plasmtica y la membrana acrosmica externa de la cabeza del espermatozoide. Posee el receptor PH20 (por posterior head), que interacta con la ZP2 de la membrana pelcida. Ello le permite al espermatozoide atravesar la membrana pelcida en busca de la membrana plasmtica del ovocito II. Lo consigue merced a la acrosina, pues esta enzima hidroliza el material que compone la membrana pelcida y fabrica en ella un tnel que sigue una trayectoria diagonal. De igual manera que en la penetracin de la corona radiante, el avance del espermatozoide se debe a la fuerza mecnica generada por los movimientos de hiperactivacin. Esa fuerza es del orden de las 3.000 microdinas, suficiente para romper cualquier unin covalente. Volviendo a la acrosina, no hidroliza masivamente a la membrana pelcida, como cabra esperar de una enzima hidroltica liberada abruptamente en el medio. Dijimos que fabrica un tnel, lo cual se explica porque hidroliza pequeas y sucesivas porciones de la membrana pelcida por delante del espermatozoide. La hidrlisis controlada se debe a que la enzima se libera como un precursor, la proacrosina, la cual, a medida que el PH20 interacta con nuevas ZP2 halladas en el camino, da lugar, en dos pasos, a las formas activas de la enzima, la -acrosina y la -acrosina. Como vemos, igual que en la penetracin de la corona radiante, el espermatozoide realiza esta tarea delicadamente y avanza por el derrotero que l mismo va creando. 5) Fusin. Si bien son muchos los espermatozoides que atraviesan la membrana pelcida, slo uno establece ntimo contacto con la membrana plasmtica del ovocito II. Cuando esto ocurre, desaparecen sus movimientos de hiperactivacin. A continuacin, las partes de las membranas en contacto de ambos gametos se fusionan, por lo que entre los dos citoplasmas se establece la continuidad que hace posible la entrada del contenido del espermatozoide en el interior del ovocito.

De parte del espermatozoide, la membrana plasmtica involucrada en la fusin corresponde a la regin ecuatorial de la cabeza. De parte del ovocito interviene cualquier zona de su extensa superficie, excepto la aledaa al ncleo (ste se halla detenido en la meiosis II). Recordemos que la membrana plasmtica del ovocito posee numerossimas microvellosidades, y es precisamente con ellas que se fusiona la regin ecuatorial de la cabeza del espermatozoide. Una vez establecida la continuidad entre ambos citoplasmas, ingresan en el siguiente orden la parte posterior de la cabeza, el cuello y la cola del espermatozoide. Luego lo hace la parte anterior de la cabeza, que es introducida en el ovocito mediante un proceso que remeda una fagocitosis. El material incorporado tiene una evolucin dispar. As, mientras el ADN y el centriolo del espermatozoide sobreviven, las mitocondrias y las fibras axonmicas no tardan en desaparecer. La fusin de las membranas es mediada por protenas fusgenas presentes en las dos bicapas lipdicas. Se han descubierto varias de estas protenas en la membrana del

espermatozoide; por ejemplo, las denominadas DE y PH30, halladas en la rata y en el cobayo, respectivamente. La DE est compuesta por dos protenas de 37 kDa (D y E), adquiridas durante el paso del espermatozoide por el epiddimo. La PH30 tambin est integrada por dos protenas ambas transmembranosas, una que se liga a la protena complementaria del ovocito y otra que es responsable de la fusin. Se sabe muy poco sobre las protenas fusgenas de la membrana plasmtica del ovocito; no se encontraran en la regin aledaa al ncleo, donde tampoco existen microvellosidades. 6) Bloqueo de la polispermia. Un solo espermatozoide debe fusionarse con el ovocito. Para que sea as, tras la fusin de los gametos se producen cambios en algunas estructuras del ovocito, a fin de neutralizar la entrada de nuevos espermatozoides y evitar la polispermia. El origen de estos cambios se encuentra en un proceso denominado reaccin cortical, que consiste en la exocitosis de las enzimas hidrolticas contenidas en las numerossimas vesculas de secrecin llamadas grnulos corticales que la clula huevo posee por debajo de su membrana plasmtica. Como todas las vesculas de secrecin, son generadas en el complejo de Golgi. Entre las enzimas expulsadas desde los grnulos corticales se encuentra una proteasa que modifica a la ZP3 e hidroliza a la ZP2. Tales cambios alteran la estructura de la membrana pelcida, lo que provoca la inmovilizacin y la ulterior expulsin de los espermatozoides atrapados en ella. Otro impedimento para la polispermia reside en la membrana de la clula huevo, que pierde la capacidad para fusionarse con las membranas de los nuevos espermatozoides que se le acercan. La inhabilitacin dependera de la presencia de algunos componentes recibidos de las membranas de los grnulos corticales, que se integran a la membrana plasmtica de la clula huevo al producirse la exocitosis. La secrecin de los grnulos corticales es regulada y se produce a consecuencia de un aumento de la concentracin de Ca2+ en el citosol. Este aumento es inducido por el IP3, que libera el Ca2+ del REL. Obsrvese que el proceso se desencadena en el momento en que se produce la fusin entre los gametos y que la sustancia inductora que activa al receptor de la membrana plasmtica del todava ovocito es una protena de la membrana plasmtica del espermatozoide. El receptor estimula a una protena G asociada a la fosfolipasa C, que como se sabe acta sobre el PIP2 y genera DAG y el citado IP3. En el prximo punto se analizar el significado funcional del DAG. El aumento del Ca2+ en el citosol comienza a producirse a los 10 segundos de iniciada la fusin de los gametos, mientras que la exocitosis de los grnulos corticales se desencadena casi 2 minutos despus. 7) Reasuncin de la segunda divisin meitica por parte del ovocito II. Mientras bloquea la polispermia, el ovocito II reanuda la meiosis II. Esta genera dos clulas haploides, el vulo que no llega a formarse porque el ovocito II fecundado se convierte directamente en clula huevo y el segundo cuerpo polar. La reanudacin de la meiosis II es promovida por el DAG mencionado en el punto anterior. Este compuesto activa a la quinasa C, la cual fosforila a las protenas responsables del proceso. 8) Formacin de los proncleos masculino y femenino. En la clula huevo los ncleos haploides del espermatozoide y del vulo pasan a llamarse proncleo masculino y proncleo femenino, respectivamente. Mientras se tornan esfricos, ambos se dirigen a la regin central de la clula, donde se desenrollan sus cromosomas y se replica el ADN. La descondensacin de los cromosomas en el proncleo masculino merece una

consideracin especial. Es que en los espermatozoides el ADN no se halla asociado a histonas sino a otro tipo de protenas bsicas llamadas protaminas, que compactan al ADN mucho ms que las histonas. Cuando el espermatozoide ingresa en el ovocito, las histonas reemplazan a las protaminas apenas concluye la descondensacin de los cromosomas, y lo hacen muy rpidamente, en menos de 5 minutos. 9) Singamia y anfimixis. Los proncleos se colocan uno muy cerca del otro en el centro de la clula huevo y pierden sus cariotecas (singamia). Finalmente, los cromosomas se vuelven a condensar y se ubican en el plano ecuatorial de la clula, igual que en una metafase mittica comn (anfimixis).

Durante la anfimixis en cada polo de la clula huevo hay un par de centrolos. Debido a que los cuatro derivan del centrolo aportado por el espermatozoide, ste tuvo que duplicarse, lo mismo que los dos primeros centrolos hijos. La anfimixis representa el fin de la fecundacin; con ella se inicia la primera divisin de segmentacin de la clula huevo, es decir, el desarrollo embrionario.

LA MEIOSIS EN LAS CELULAS VEGETALES Y LA REPRODUCCIN DE LAS PLANTAS Los mecanismos celulares responsables de la reproduccin de las plantas son diferentes de los existentes en los animales Los mecanismos celulares que llevan a la reproduccin de las plantas son bastante diferentes de los observados en los animales. En las plantas superiores el proceso comienza en los rganos reproductores masculino (antera) y femenino (ovario), los cuales generan microsporocitos y megasporocitos, respectivamente. Estos se dividen por meiosis, que es esprica y ocurre en un momento intermedio entre la formacin de los gametos y la fecundacin. Al cabo de la meiosis cada microsporocito origina cuatro microsporos haploides funcionales. Por su lado, a partir de cada megasporocito se forman cuatro megasporos haploides, tres de los cuales degeneran. Los microsporos se convierten en gametofitos masculinos, conocidos comnmente como granos de polen. En cambio, el megasporo que sobrevive pasa por tres divisiones mitticas y da lugar al gametofito femenino, que contiene ocho ncleos haploides. En la fecundacin participan tres de estos ncleos, el de la clula ovular y los dos ncleos polares.

Por su lado, cada grano de polen genera una estructura accesoria llamada tubo polnico y dos espermatozoides haploides, uno de los cuales fecunda al ncleo de la clula ovular. Se forma as la clula huevo diploide, de la que se origina en el interior de la semilla el embrin de la nueva planta. El otro espermatozoide se une a los dos ncleos polares, lo que da lugar a un ncleo triploide que al cabo de varias divisiones mitticas genera el endosperma de la semilla, es decir, el material nutritivo del embrin. Como se ve, la semilla es un mosaico de tejidos en el que el embrin es diploide, el endosperma es triploide y los tegumentos poseen clulas diploides de origen materno. Las bases de la citogentica La unin de la biologa celular con la gentica dio origen a la citogentica La citogentica se ocupa de las bases cromosmicas y moleculares de la herencia y ayuda a resolver importantes problemas en el campo de la medicina, la ganadera y la agricultura. Puesto que estos temas son abordados por los textos de gentica, en este captulo nos ocuparemos slo de los que conciernen a la biologa celular. As, se analizarn las bases cromosmicas sobre las cuales se asientan los principios de la herencia, algunas aberraciones cromosmicas que ocurren en la especie humana y el papel que desempean los cromosomas en la evolucin de las especies. ABERRACIONES CROMOSOMICAS EN LA ESPECIE HUMANA Las clulas humanas pueden ser afectadas por aberraciones cromosmicas Las alteraciones cromosmicas ms comunes en el hombre estn representadas por aneuploidas (monosomas y trisomas) y por aberraciones estructurales. Producen malformaciones congnitas graves, retardo mental y esterilidad, situaciones que actan como mecanismos selectivos para eliminar de la poblacin esos graves desequilibrios genticos. El diagnstico de las aberraciones cromosmicas puede hacerse antes del nacimiento, mediante el estudio de unas pocas clulas fetales obtenidas del lquido amnitico (amniocentesis) o de las vellosidades corinicas (biopsia). Una de las aneuploidas autosmicas ms difundidas es el sndrome de Down Entre las aneuploidas ms difundidas se encuentra el sndrome de Down o

mongolismo, en el que existen tres cromosomas del par 21 (trisoma) en lugar de dos. Los afectados presentan un profundo defecto en el desarrollo del sistema nervioso central, retardo mental y otras malformaciones. Esta aberracin cromosmica es ms frecuente a medida que aumenta la edad de la madre. Adems, no se observan recurrencias familiares. En la trisoma del par 18 llamada sndrome de Edwards el nio es pequeo y dbil, su cabeza se halla achatada lateralmente, los pabellones auriculares estn mal desarrollados, las manos son cortas y las impresiones digitales son sumamente simples; presenta evidente retraso mental y la muerte ocurre antes del ao de vida. En la trisoma del par 13 llamada sndrome de Patau aparecen mltiples malformaciones somticas y retardo mental profundo. La cabeza es pequea y a menudo los ojos son chicos o estn ausentes; tambin son frecuentes el labio leporino y el paladar hendido. En la mayora de los casos la muerte se produce poco despus del nacimiento. Las aneuploidas tambin pueden afectar a los cromosomas sexuales En la tabla se indican las aneuploidas ms frecuentes en los cromosomas sexuales, junto con los nombres de los sndromes clnicos y la indicacin de la presencia o ausencia de la cromatina sexual o cuerpo de Barr. PAPEL DESEMPEADO POR LOS CROMOSOMAS EN LA EVOLUCION La citogentica impuls el estudio de la evolucin de las especies El estudio de la evolucin tom gran impulso gracias al desarrollo de la citogentica, al poder compararse los genomas de especies emparentadas. La sistemtica tambin experiment un progreso considerable por el aporte de la citogentica, pues sta le ha proporcionado muchos recursos para dilucidar interrelaciones entre diferentes categoras taxonmicas (como se sabe, las familias, gneros y especies se caracterizan por tener sistemas genticos distintos). El estudio del cariotipo de diversas especies ha permitido establecer una serie de hechos de gran inters, tanto en el reino animal como en el vegetal. En poblaciones salvajes se demostr que los individuos son, en cierto grado, genticamente heterocigotos. En algunos casos, los genes, aun cuando son idnticos, estn ordenados de manera distinta a causa de alteraciones ocurridas en los segmentos cromosmicos. Estos cambios desempearon un papel preponderante en el mecanismo de formacin de las especies. La organizacin de los cromosomas y de los cariotipos observada en los individuos, las especies, los gneros y los grupos sistmicos mayores indica que en la evolucin han intervenido diversos mecanismos cromosmicos. Las principales fuentes de variacin han sido la aneuploida y la poliploida. La poliploida no es tan importante en el reino animal. Entre los vertebrados, diversas clases de peces tienen distintos nmeros de cromosomas. Los anfibios, en especial los anuros, se caracterizan por la presencia de un nmero fijo para cada familia. La variacin en las aves y en los mamferos se debe ms a cambios en los cromosomas individuales y a mutaciones gnicas que a modificaciones en el contenido total del material gentico. Se ha estudiado la evolucin del cariotipo en los primates Muchos de los trabajos sobre la evolucin se refieren a la relacin citogentica entre el hombre y los grandes monos (chimpanc, gorila, orangutn). Dado que el hombre

tiene 23 pares de cromosomas y los grandes monos poseen 24, por lo menos pudo haber tenido lugar una translocacin robertsoniana en su evolucin. Se cree que el cromosoma 2 del hombre es el resultado de tal translocacin a partir de dos cromosomas de los monos. Por otra parte, trece pares de cromosomas humanos son casi idnticos a otros tantos pares de cromosomas del chimpanc, y en los restantes cromosomas se observan inversiones pericntricas y adicin de material cromosmico. En suma, en los primates la evolucin de los cromosomas ha sido consecuencia de fusiones, translocaciones y, fundamentalmente, inversiones pericntricas de segmentos cromosmicos, todo lo cual permiti seleccionar a los genes que dieron origen al Homo sapiens. El anlisis de la secuencia del ADN mitocondrial tambin tuvo un importante impacto en los estudios taxonmicos. Permiti establecer relaciones genealgicas entre especies ntimamente relacionadas como la humana y la de los monos y reconstruir el posible rbol evolutivo de esas especies.