MITOSIS-DIVISIÓN CELULAR

1º PROFASE:(PRO: Antes, primero)

ASPECTOS GENERALES:

Las cromátidas se condensan. Se desintegra el Citoesqueleto, la célula pierde su forma original y se hace esférica. Según el tipo de célula pierde sus contactos con las células vecinas o con la Matriz Extracelular. Formación el Huso Mitótico. Se desintegra el nucléolo. El Retículo Endoplasmático y el Complejo de Golgi se fragmentan en pequeñas vesículas.

Durante la primera fase de la mitosis, los cromosomas duplicados se preparan para separarse y se ensambla el mecanismo mitótico.

Cromosomas mitóticos: El núcleo de una célula en interfase contiene fibras de cromatina de longitud enorme dispersas a través de todo el compartimiento nuclear. La cromatina de la interfase en estado extendido es ideal para el proceso de transcripción y duplicación, pero no para repartirse entre dos células hijas. Para separar los cromosomas duplicados, la célula primero los compacta en fibras más gruesas y más cortas, que se hacen más evidentes a lo largo de la profase. Además los centrómeros (constricciones primarias) se vuelven claramente visibles, debido a que se les han asociado sendas placas proteicas (una a cada lado) llamadas. Al principio los cromosomas están distribuidos homogéneamente en el interior del núcleo, pero luego se aproximan a la envoltura nuclear, de modo que aparece un espacio vacío en el centro del núcleo. Este movimiento centrífugo de los cromosomas indica que se aproxima el momento de la desintegración de la envoltura nuclear a través de la fosforilación de las láminas nucleares causada por la activación del FPM, y con este movimiento llega el fin de la profase y el inicio de la prometafase.

Centrómeros y Cinetocoros: La marca más notable sobre un cromosoma mitótico es una indentación (encogimiento) muy visible, o constricción primaria, que señala la posición del centrómero. El centrómero es el sitio donde residen las secuencias de DNA altamente repetidas satélite (Heterocromatina Constitutiva), que sirven como

sitio de enlace para proteínas específicas. Como vimos, cada uno de los cromosomas están está asociado a un par de estructuras especiales llamada cinetocoros, en las cuales se implantan, por una de sus puntas, algunos de los microtúbulos del huso mitótico. Los cinetocoros están adosados al centrómero, esto es al segmento más estrecho del cromosoma. Así los centrómeros además de mantener unidas a loas cromátidas hermanas, sirven de conexión de los cromosomas con los microtúbulos del huso.Con el microscopio electrónico, en un corte transversal, cada cinetocoro aparece como una estructura trilaminar que contiene un par de discos densos, de unos 50 nm de diámetro cada uno, y una zona intermedia más clara de 25 nm de diámetro.

Muestran 2 caras:o Una cara externaconvexa en la que se implantan 34±5 microtúbulos.o Una cara interna en contacto con la cromatina del centrómero. Se ha observado que fibras de

cromatina surgidas de este último ingresan en el cinetocoro, lo atraviesan, salen por la cara externa y, tras doblarse, regresan al cromosoma. Aparentemente estas fibras son las que mantienen a los cinetocoros ligados al centrómero. Más aún, los tramos que salen por la cara cinetocórica externa componen una especie de corona, cuya presencia se vincularía con el anclaje de los microtúbulos al cinetocoro.

Duplicación de los Centrosomas: Los centrosomas empiezan a duplicarse durante la fase S (Interfase). En primer lugar, los dos centriolos del par centriolar se separan y cerca de cada uno aparece un procentríolo, dispuesto en ángulo recto con respecto al centriolo preexistente Los procentríolos crecen lentamente durante las fases S y G2 y alcanzan su tamaño definitivo al comienzo de la profase, que exhibe dos pares de centriolos. Cada par de centríolos se halla en medio de su respectiva matriz centrosómica, proveniente de la matriz centrosómica original, que también se ha duplicado.

Formación del Huso Mitótico: Conforme la célula progresa y pasa por la etapa G2 para entrar en mitosis, los microtúbulos del citoesqueleto se desensamblan antes de volver a ensamblarse para formar los componentes de una "máquina" formada por microtúbulos denominada huso mitótico. Como consecuencia de la desintegración del citoesqueleto, la célula pierde su forma original y se hace esférica. Además, según el tipo de célula, pierde sus contactos con las células vecinas o con la matriz extracelular. Pero lo que más destaca en el citoplasma es la formación del huso mitótico. Para entender la formación del huso mitótico es necesario examinar el ciclo del centrosomaconforme avanza en coordinación con el ciclo celular.Cuando una célula animal sale de la mitosis, posee un solo centrosoma que contiene dos centríolos situados en ángulo recto entre sí. Puesto que los cromosomas se duplican en el núcleo durante la fase S, el par de centríolos inicia su "duplicación" en el citoplasma. La formación de cada nuevo centríolo comienza con la aparición de un centriolo hijajunto a un centríolo existente y orientado en ángulo recto respecto del mismo.

MICROTUBULOS DEL HUSO MITÓTICO:El ensamblaje del huso, la captura de cromosomas y su alineación en la placa metafásica, y el posterior alargamiento del huso con el desplazamiento de los cromosomas a los polos, dependen críticamente de una serie de procesos que ocurren en o cerca de los extremos de los microtúbulos: los microtúbulos no son tan solo el lugar donde se localiza el ensamblaje y desensamblaje de los microtúbulos sino también donde se produce la fuerza. Veremos que se pueden distinguir tres tipos de microtúbulos del huso.

1) Microtúbulos Polares: Se solapan en la línea media del huso y son responsables de empujar a los polos del huso causando su separación.

2) Microtúbulos Cinetocóricos: Se adhieren al cinetocoro especializado que forma el centrómero de cada cromosoma duplicado y conduce los cromosomas en el huso.

3) Microtúbulos Astrales: Parten en todas las direcciones desde los centrosomas y se cree que contribuyen a generar las fuerzas que separan los polos y los sitúan en relación al resto de la célula.

El comportamiento de cada una de estas clases de microtúbulos es distinto debido a las diferentes estructuras con las que entran en contacto sus extremos y, por tanto, a los diferentes procesos que allí tienen lugar.

2º METAFASE: (Meta: después, entre)

Es una fase corta (5 a 15 minutos) en la que los cinetócoros de los cromosomas interaccionan por medio de unos microtúbulos con los filamentos del huso y los cromosomas son alineados en la placa ecuatorial de la célula constituyendo la placa ecuatorial. Los cromosomas muestran el máximo acortamiento y condensación, y son desplazados por los microtúbulos hasta que todos los centrómeros quedan en el plano ecuatorial.

METAFASE TARDÍA:

Se produce la auto-duplicación del ADN del centrómero, y en consecuencia su división. Seguidamente el centrómero se divide simultáneamente en todos los cromosomas. Los centrómeros y cromátidas hijas se separan comenzando su traslado hacia los polos.

TERCER PUNTO DE CONTROL:

Este último punto de control se encuentra entre la metafase y la anafase. Se encarga de revisar que todos los cromosomas se hayan unido al huso mitótico. Si detecta que uno de los cinetocoros no se encuentra unido, manda una señal negativa al sistema de control bloqueando la activación de proteínas implicadas en la separación de las cromátidas hermanas. Específicamente inactiva al conjunto APC- cdc20, lo que inhibe la liberación de la separasa, impidiendo que las cromátides hermanas se separen hasta que la señal desaparezca. El cambio de estado de la cromatina durante el ciclo celular es dramático. En la interfase una

gran parte tiene una organización laxa y desempaquetada (eucromatina), aunque otra parte está condensada (heterocromatina).

Estas transiciones en el grado de organización del ADN son imprescindibles para el funcionamiento celular. En la mitosis lo que prima es el reparto y la segregación del ADN entre las células hijas, lo que se hace mejor si la cromatina está bien empaquetada y dividida en porciones discretas, los cromosomas. Al empaquetamiento de la cromatina contribuyen las propias histonas y también unos complejos proteicos que ayudan a la compactación como son las condensinas y las cohesinas

La primera función que fue atribuida a las cohesinas, y por la cual llevan su nombre, es la de mantener las cromátidas hermanas unidas durante el ciclo celular hasta su correcta segregación en la anafase. Al llegar a la fase M la cohesina une cromátidas hermanas en toda su extensión, pero la M-cdk, entre los estados de profase y prometafase, fosforila directamente a un componente del complejo de la cohesina denominado kleisina

CONDENSINAS:

Se ha demostrado in vitro que el complejo SMC (ver el esquema del complejo molecular de la condensina) induce la tensión del DNA en un proceso dependiente de ATP. Primeramente, y en presencia de la enzima topoisomerasa I, induce el superenrollamiento de la cromatina. En segundo lugar, promueve la formación de lazos, en colaboración con la enzima topoisomerasa

3º ANAFASE:

Duración promedio de esta fase equivale a la décima parte de la mitosis. Comienza con la separación de los cromosomas hermanas, por liberación de la cohesina al espacio

citoplasmático. Los cromosomas metafísicos se alejan entre si hacia polos opuestos de forma sincronizada.(Velocidad de una micra por minuto equivalente a una o dos horas de duración)

El lento desplazamiento garantiza precisión, orden y evita el riesgo de enrollamiento de los cromosomas.

Descenso de la actividad de la proteincinasa dependiente de ciclina, lo cual genera la descomposición de la ciclina mitótica y por ende la desactivación del MPF. Este hecho induce a la abrupta y sincronizada división de los cromosomas en sus cromátides hermanas

El cinetocoro permite la adhesión al huso (acortamiento de microtúbulos por pérdida neta de subunidades de tubulina a nivel del cinetocoro)

Comportamiento de los microtúbuloscinetocóricos en la anafase: En la anafase la cromátida se libera de la unión de su cromátida hermana en la placa metafásica y el cinetocoro se desplaza rápidamente microtúbulo arriba, desplazando en su camino sub unidades de su extremo "más". Por lo tanto, la cromátida unida es transportada hacia el polo del huso. Parte del movimiento de la cromátida se debe a la pérdida simultánea de subunidades del extremo "menos" de los microtúbulos en el polo

La separación cromosómica no está dada por el huso acromática, puesto que esta proteína se des polimeriza mucho antes por la acción de la colquinasa. La razón se fundamenta en la presencia de topoisomerasa II, que sugiere que las moléculas de DNA de las cromátides duplicadas todavía se encuentran entrelazadas. Al parecer, esta condición es continuación de una falla de los dúplex para separarse por completo luego de la duplicación del DNA en la fase S. El descubrimiento de la función de

la topoisomerasa II en la mitosis ha favorecido el desarrollo de fármacos que contengan enzimas inhibidoras de topoisomerasa II con el fin de detener la división de células cancerígenas.

Un proceso enigmático es el rápido incremento, hasta 10 veces, de la concertación y tránsito del catión calcio. Dicho ion se almacena en forma de vesículas cerca de los polos. Se cree que la función de estos es favorecer la citocinesis.

VENTAJAS DEL MECANISMO DE AUTORREGULACIÓN DE LA PLACA METAFÍSICA EN EL ESTUDIO CROMOSÓMICO: El uso de colchicina permite el des ensamblaje del huso, el cual detiene MPF. De este modo el proceso mitótico queda estancado por un par de horas. Tiempo suficiente para la recolección de células mitóticas y cromosomas condensados.ERRORES EN LA ANAFASE POR INTERACCIÓN CON EL CINETOCORO: Si ambos cinetocoros hermanos se desplazaran hacia el mismo polo la división celular resultante produciría dos células defectuosas, a una le faltaría un cromosoma y la otra tendría una copia extra. Tal error puede producirse si un cromosoma replicado no puede unirse al huso, si sólo se une una mitad del huso o si las dos cromátidas hermanas no pueden separarse durante la anafase.

La anafase se divide en dos periodos que ocurren simultáneamente: anafase A y anafase B. Con el fin de resaltar el movimiento que ocurre entre los cromosomas hacia lo polos y el alejamiento de los centrosomas.

ANAFASE A:

Acercamiento de los cromosomas hacia los polos opuestos. Por la ruptura del equilibrio metafísico. Esto se debe a que la cohesina es degradada por la separasa. La activación de esta última enzima es producto de la actividad del complejo ACP, el cual destruye a la securina. Asimismo, el complejo ACP es activado por la proteína Cdc20, la cual es iniciada por el complejo ciclinas M-Cdk. El desplazamiento también se debe por el acortamiento de los microtúbulos en los cinetocoros por acción de la dineina citoplasmática, que a su vez necesita la hidrolisis de ATP. El huso cromosómico se puede acortar hasta un quinto de lo que era en la metafase.

PROTEÍNAS QUE INTERVIENEN EN LA ANAFASE ACohesina: Complejo de proteínas involucrado en la separación de las cromátidas (encargada de mediar la unión de las cromátidas en la metafase). Es responsables de mantener la estructura de los cromosomas. Está conformada por proteínas SMC, además de otras proteínas (Scc1, Scc2, Rad21y Mcd1), que se activan, antes de entrar a la fase de mitosis. Une las hebras de cromatina, pero a diferencia de las condensinas, une DNA de cromátidas hermanas. En el momento de la separación es destruida por la separasa. Al llegar a la fase M la cohesina une cromátidas hermanas en toda su extensión, pero la M-cdk, entre los estados de profase y prometafase, fosforila directamente a un componente del complejo de la cohesina denominado kleisina (ver esquema molecular de la cohesina), lo que provoca la disociación de la cohesina de los brazos de las cromátidas pero no de los centrómeros, por lo que las cromátidas permanecen unidas por este punto. Las cohesinas del centrómero evaden esta fosforilación por la actividad de una proteína fosfatasa PP2A que se encuentra

Las dineínas son los “motores proteínicos” que llevan los cromosomas desde el plano ecuatorial hacia los centrosomas lado. Los microtúbulos del cinetocoro se acortan debido a la por la pérdida de tubulina.

asociada a esta región. De este modo, las cromátidas hermanas enlazadas por el centrómero pueden disponerse de forma ordenada en la placa metafásica.ACCIÓN DE LA SECURINA EN LA ANAFASE A: Una vez que todos los cromosomas están alineados, el APC provoca la poliubicuitinación de la securina, lo que conduce a su degradación por los proteasomas y a la degradación posterior de las proteínas de ligadura cruzada de las cromátidas hermanas. Esta secuencia de acontecimientos inicia la anafase, liberando las cromátidas hermanas para su separación hacia los polos opuestos del huso. Asimismo la securina cumple la función de la inhibición de la p53 (punto de control).

CINETOCOROS: El cinetocoro es un gran complejo multiproteico que se puede observar al microscopio electrónico como una estructura multilaminar en forma de placa. No se trata de una localización pasiva de anclaje para los microtúbulos, sino que juega un papel central en el control del ensamblaje y desensamblaje de los microtúbuloscinetocóricos, generando tensión en ellos y, finalmente, dirigiendo el movimiento cromosómico. ESTRUCTURA DEL CINETOCOROEl cinetocoro interno: se organiza normalmente sobre secuencias de ADN altamente repetido (el ADN satélite) y se ensambla en una forma especializada de cromatina que persiste a través del ciclo celular.El cinetocoro externo: es una estructura proteica con muchos componentes dinámicos que se ensambla y funciona sólo durante la división celular.FUNCIONES DEL CINETOCOROLas funciones del cinetocoro incluyen el anclaje de los cromosomas a los MTs del huso mitótico, la verificación de esos anclajes, la activación del checkpoint de mitosis y la participación en la generación de las fuerzas que propulsan los movimientos cromosómicos durante la división celularDos modelos alternativos de cómo el cinetocoro puede generar una fuerza hacia los polos sobre su cromosoma, durante la anafase. (A)Las proteínas motoras de microtúbulos forman parte del cinetocoro y utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para arrastrar el cromosoma a lo largo de los microtúbulos a los que

dicho cromosoma está unido. (B) El desplazamiento de los cromosomas está dirigido por el desensamblaje de los microtúbulos: cuando las subunidades de tubulina se disocian, el cinetocoro ha de deslizarse hacia el polo para mantenerse unido a las paredes del microtúbulo.PROTEÍNAS MOTORASDINEÍNA: Las dineínas son una familia de proteínas motoras que median el transporte intracelular retrogrado sobre los microtúbulos. La dineína es una molécula de estructura similar a la kinesina: consta de dos cadenas pesadas idénticas que conforman dos cabezas globulares y de un número variable de

cadenas intermedias y de cadenas ligeras. Se sugiere que la actividad de hidrólisis de ATP, fuente de energía de la célula, se encuentra en las cabezas globulares. La dineína transporta vesículas y orgánulos, por lo que debe interaccionar con sus membranas, y, para interactuar con ellas, requiere de un complejo proteico, de cuyos elementos cabe destacar la dinactina.KINESINA o cinesinas median el transporte intracelular anterógrado sobre los microtúbulos. Intervienen en el transporte anterógrado de vesículas, es decir, que implican un movimiento hacia la parte más distal de la célula o la neurita, hacia el extremo (+) de los microtúbulos.ACCIÓN DE LA DINEÍNA Y LA CINESINA DURANTE LA ANAFASE AEl movimiento de los cromosomas hacia los polos en anafase es consecuencia de la acción de los motores proteínicos dineínas y cinesinas y del alargamiento y acortamiento de los microtúbulos del huso.Un experimento de marcado fluorescente in vivo proporciona pruebas de que el acortamiento de los microtúbulos de cinetocoro en su extremo (+) desplaza los cromosomas hacia los polos en las células de mamífero. Una cinesina asociada con el cinetocoro, la MCAK, promueve el desarmado del extremo (+) mientras la CENP-E, también del cinetocoro, se une al extremo que se acorta de manera progresiva. ANAFASE B:Se da el alargamiento de los microtúbulos superpuestos desde los polos. Por lo que existe una adición neta de subunidades de tubulina en los microtúbulos polares. Se inicia con la desfosforilación de las histonas H1 y H3 y las láminas nucleares del huso. La prolongación del huso es de 1,5 a 2 veces más que en la metafase.ACCIÓN DE LA DINEÍNA Y LA CINESINA DURANTE LA ANAFASE B: El alargamiento de los microtúbulos polares por la adición de tubulina y el empuje de los motores proteínicos llamados kinesinas o cinesinas , así como la acción de dineínas unidas a microtúbulos de áster en cada polo jalando los centrosomas hacia la corteza celular (cara interna de la membrana celular) contribuyen al movimiento de los cromosomas en la anafase.Este alargamiento tiene su origen en la contracción de una matriz, rica en actina y miosina, ubicada en el plano ecuatorial la cual une a los cromosomas solapados por medio de una proteína del tipo quinesina, si como también por la dineina citoplasmática. La dineina citoplasmática genera un deslizamiento del microtúbulo hacia su polo de origen. Por ello, el huso empuja los casquetes de la membrana polar. Así como también incrementa la distancia entre los polos nucleares.ELONGACIÓN DEL HUSO EN LA ANAFASE B:Existen tres procesos en la separación de los polos en la anafase B:

Una fuerza de empuje generada por el deslizamiento de los microtúbulos polares entre sí mediada por cinesina

Una fuerza de tracción generada por la dineínacitosólica asociada con la corteza El alargamiento de los microtúbulos polares en su extremo (+).

OTROS TIPOS DE FUERZAS MOVILIZAN A LOS CROMOSOMASLa teoría del equilibrio dinámico sostiene que la despolimerización de los microtúbulos -en sus dos extremos- es la responsable exclusiva del traslado; así, la fuerza mecánica derivada del desarmado de los microtúbulos bastaría para trasladar a los cromosomas. La teoría del deslizamiento, aunque reconoce la despolimerización de los microtúbulos, considera que éstos se comportan como "rieles" sobre los cuales los cromosomas se desplazan mediante alguna proteína motora asociada a los cinetocoros.

4º TELOFASE:

Migración de los cromosomas constituidos por cromatides hacia los polos de la célula donde los microtúbulos se desorganizan. Los cromosomas se concentran en un lugar donde éstas están muy descondensados.

La envoltura nuclear se forma nuevamente con sus estructuras propias. Esta formación se da gracias a la asociación de vesículas de los sistemas de endomembranas sobre la superficie de los cromosomas formando así la carioteca o envoltura nuclear.

Proteínas cinasas como la Cdk 1 al estar inactiva dan fin a la mitosis al igual que algunas fosfatasas ya degradadas. También compuestos como el APC/C dan indicios de la finalidad del proceso de mitosis tanto como las ciclinas tipo B.

La fosforilación de varias proteínas por CdkM al inicio de la mitosis estimula el ensamblaje del huso, la condensación de los cromosomas y la desorganización de la envoltura nuclear. Por lo tanto, no es sorprendente que para que tenga lugar el desensamblaje del huso y la formación de los núcleos hijos en la telofase se requieran la desfosforilación de estas mismas proteínas.

Aunque en la mayoría de células la inactivación de las Cdk sobre todo como consecuencia de la degradación de las ciclinas- es la responsable principal, algunas células también dependen de la activación de fosfatasas. En principio, estas defosforilacionesy la finalización de la mitosis podrían producirse mediante la inactivación de las Cdk, la activación de fosfatasas o por ambos procesos.

En la levadura de gemación, por ejemplo, la finalización de la mitosis depende de la activación de una fosfatasa denominada Cdc14, la cual desfosforila un subconjunto de sustratos de la Cdk implicados en la anafase y en la telofase.

CITOCINESIS:

La citocinesis consiste en la separación física del citoplasma en dos células hijas durante la división celular. Tanto en la mitosis como en la meiosis se produce al final de la telofase, a continuación de la cariocinesis. En el caso de algunas células —algunos hongos, por ejemplo— no se produce la citocinesis, ya que estos organismos duplican su núcleo manteniendo el citoplasma unido, consiguiendo así células plurinucleares.

POSICIÓN DEL ANILLO CONTRÁCTIL:

La posición del anillo Cytokinesis in Animal Cells", Cambridge UniversityPress (1996) lo que parece depender de la GTPaseRhoA, que provoca varios efectores cascada (como las proteínas kinasa ROCK y citron) para promover la activación de la miosina en una región particular del cortex celular.

EL HUSO CENTRAL:Junto con la formación del anillo contráctil, se forma el "huso central", una estructuratambién basada en microtúbulos. Muchas especies requieren el huso central para cumplir eficientemente la citocinesis.

REGULACIÓN TEMPORAL DE LA CITOCINESIS:

La citocinesis está regulada temporalmente para asegurar que sólo ocurre después de la separación de las cromatidas hermanas durante divisiones celulares normales. Para lograrlo, muchos componentes de la maquinaria citocinética están regulados para asegurar que son capaces de cumplir una función particular en un estadio particular del ciclo celular.

ALTERACIONES DEL CICLO CELULAR:Lo habitual es que después de un período S de síntesis se produzca una mitosis o cariocinesis seguida de una citocinesis. Sin embargo, en ocasiones en algunos tipos de células animales o vegetales de forma natural o bien mediante tratamientos con determinados compuestos, es posible obtener variaciones en el ciclo de división.Las principales variaciones en el proceso de división celular se han resumido en la siguiente tabla:

VARIACIONES EN EL CICLO DE DIVISIÓN CELULAR

Variaciones en la Replicación y reparto del material hereditario

Endorreduplicación: Varios períodos S sucesivos sin entrar en mitosis. Cuadruplocromosomas. Politenia (cromosomas gigantes deDrosophilamelanogaster).

Haplocromosomas: Dos mitosis sucesivas sin período S entre ambas.

Variaciones que afectan a los estadíos mitóticos

Endomitosis: No desaparece la membrana nuclear, mitosis dentro del núcleo. Aparecen células poliploides.

Variaciones en la anafase: inhibición de la formación del huso acromático. Con colchicina (c-mitosis) mediante anoxia (a-mitosis). Se duplica el número de cromosomas y aparece una célula poliploide.

No reorganización del nucleolo: por mutaciones en la ARN Polimerasa I

Variaciones que afectan a la citocinesis en relación con la cariocinesis

Cariocinesis sin Citocinesis: La cafeína inhibe la citocinesis, aparecen células binucleadas (con dos núcleos)

Citocinesis sin Cariocinesis: el bromuro de etidio provoca que las células se paren en profase y se reparta el citoplasma (citocinesis) sin haberse repartido el material del núcleo.

Citocinesis en células anucleadas: en algunos organismos en determinados momentos se observa que células sin núcleo reparten su citoplasma.