Biologia Celular

División Celular II: Mitosis

por David Warmflash, MD, Nathan H Lents, Ph.D.

¿Como se descubre algo extraordinariamente fundamental que nadie conocía o había visto anteriormente? Si se tiene una buena idea de lo que se busca, se puede utilizar el método de Walther Flemming. En División Celular I: El Ciclo Celular, aprendimos que Flemming observó como las cromosomas se hicieron visibles en patrones que repitieron cada vez las células de una salamandra se dividieron. Este redescubrimiento importante fue hecho posible utilizando varios colorantes, una técnica de la cual Flemming fue pionero. Este es un buen ejemplo de acerca como un nuevo instrumento o técnica puede facilitar un descubrimiento, asumiento que el investigador ya sabe mas o menos lo que el o ella posiblemente encuentre.

Fleming cell drawing
Figura 1: Dibujo de célula de Flemming. image © Wikimedia Commons

Este fue el caso con Flemming. Científicos en años anteriores, ya habían visto estructuras pálidas en células, pero sus colorantes no eran lo suficiente buenos para revelar lo que cualquiera de estas estructuras hacia. A lo largo del siglo XIX, mientras desarrollaban los microscopios, científicos miraban claves de estructuras dividiendo células de eucariotas. Como Flemming, científicos anteriores habían experimentado con colorantes. Estos no eran tan buenos como los colorantes de anilino que facilitaron el descubrimiento de Flemming, pero ayudaron a científicos ver algo. Desafortunadamente, los colorantes mataron las células y debido a que las estructuras bajo el microscopio estaban difícil de ver como estaban, los precursores de Flemming no estaban tan seguir si estaban viendo algo característico de una célula viva funcional. ¿Eran simplemente artefactos, algo que se formaba solamente cuando se moria la célula? Si es asi, eso no explicaría como una célula se replica en un organismo viviente, o en vivo.

Sabiendo lo que quería encontrar, Flemming se propuso realizar un mejor trabajo tiñendo los detalles internos de las células. Al hacer esto, se dio cuenta que también podía determinar si las estructuras eran artefactos o parte de una función celular. Utilizando los embriones de salamandra por medio de un proceso largo y esmerado, corto sus muestras en pedazos delgados y los trato con sus nuevos colorantes. Esto mató las células, tal como los colorantes anteriores, Sin embargo, Flemming repitió esta técnica con muchos embriones, arrestando su proceso de vida en diferentes tiempos. Este protocolo era tan novedoso como su utilización de tintes de anilina. Al detener el proceso de vida en diferentes puntos, el pudo investigar si las estructuras se miraban diferentes en el Tiempo A comparado con el Tiempo B o el Tiempo C y así sucesivamente.

Resultó ser que si se miraban diferentes y esto proveyó de que las estructuras no eran artefactos. Eran parte del proceso de vida de células. Juntos con el mejoramiento de la resolución de microscopios en esa época. los tintes de anilinas podían hacer las estructuras sean visibles. Esto llevó a Flemming a descubrir el proceso celular que llamamos mitosis: División de núcleos de células eucariotas que ocurren justo antes del citocinesis, el cual es la división de la célula en si. Tan reveladores fueron los nuevos tintes y tan meticulosa era su técnica que Flemming pudo definir las fases de mitosis que aun conocemos hoy en día.

Flemming Cell Division
Figura 2: el diagrama de Fleming de división celular eucariota.

Las fases del mitosos

Flemming acuño el término cromatina para describir el material del cual consisten las cromosomas. Cuando el observó la división celular en embriones de salamandra, el observó el mismo patrón de eventos ocurrir en cada célula, comenzando con la apariencia de cromosomas visibles. Describió los eventos como cuatro periodos de tiempo, los cuales nombro profase, metafase, anafase y telofase. Hoy en día hablamos de cinco fases, ya que dividimos la profase de Fleming, la fase mas larga, en profase y metafase.

Es importante recordar que los procesos de división celular es cíclica, con una fase alimentando la siguiente. Por ejemplo, la telofase y la citocinesis se cruzan, la citocinesis es división del resto de la célula que genera las dos células hijas nuevas. Siguiendo el citocinesis, las dos nuevas células después pasar por un periodo largo llamado interfase, durante el cual cada célula nueva lleva a cabo funciones normales de vida y replica su cromatina, eventualmente pasando a la profase en otro ciclo de la mitosis. Por ende, mientras empieza la mitosis, el núcleo a contiene un doble conjunto de cromatina. Debido a que la cromatina contiene los genes que dan a organismos sus características, esto significa que la célula que entra a profase contiene dos copias de lo que se llama secuencia genética, o genoma de un organismo. Lo que sucede de este punto en adelante es simplemente un re empaque y reubicación de cromatina.

Tomando las cinco fase del mitosis mas la interfase se puede recordar el ciclo entero con la frase en ingles “Please Pour Me Another Tea Instead!” el cual en español significa Por favor, sírveme otro té en lugar.

Mitosis
Figura 3: Una ilustración de fases de la mitosis: interfase, profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. Este proceso después lleva al citocinesis. image © NIGMS

La Profase es el tiempo en el cual podemos ver las cromosomas bajo un microscopio. Como se notó anteriormente, las secuencias genéticas de células se replican antes de la profase (durante la interfase). Durante la interfase, la cromatina es relativamente descondensada y floja, como espaguetis y dispersada por todo el núcleo. Con el comienzo de profase, la cromatina se dobla en una forma compacta que cuando es teñida con tinte puede ser como cromosomas individuales, incluso con microscopios primitivos disponibles en la era de Flemming. Cada cromosoma consiste en un par de cromátidas hermanas, cada una conteniendo la misma secuencia genética que fue duplicada durante la interfase y estas dos cromátidas son conectadas por una estructura llamado centrómero. También durante la profase, una estructura prominente llamado nucléolo desaparece del núcleo.

La Prometafase se marca por la desintegración de la membrana que rodea el núcleo celular. Adicionalmente, pares de proteínas complejas llamadas cinetocoros, se unen al centrómero de cada cromosoma, un cinetocoro para cada cromátida . Estos dos eventos clave permitirán conexiones para formarse entre las cromosomas y estructuras especiales ubicadas justo afuera del nucleo.

La Metafase es caracterizado por el reposicionamiento de las cromosomas duplicadas para que estén listas para ser separadas. Durante la interfase, la mayoría de las células animales contienen una estructura llamada centrosoma, ubicada cerca del núcleo pero afuera de su membrana. Igual que la cromatina, la centrosoma también se replica casi al final del interfase y por el comienzo de metafase, cada uno de las dos centrosomas hijas han emigrado a los finales de la membrana nuclear. A través de todo el ciclo celular, los centrosomas actúan como el centro de control para microtúbulos, un sistema complejo de fibras de proteínas que forman parte del cito citoesqueleto. Justo como los huesos dan forma a su cuerpo en una gran escala, el citoesqueleto provee cada célula con una forma, mientras que también ayuda a transportar materiales. Con la membrana nuclear ahora disuelta y las dos cromosomas posicionadas en lados opuestos de la célula, las cromosomas condensadas se alinean junto a una línea imaginaria en el centro de la célula llamado el plato de metafase. fibras de Microtúbulo que comienzan a extenderse de cada centrosoma hacia el centrómero que conecta las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma. Esta estructura parecida a una jaula de microtúbulos se llama huso mitótico. Específicamente las fibras de microtúbulo se adjuntan a los x; como se dice arriba, existen dos cinetocoros, uno para cada cromátida. Esto provee que el arreglo para que las cromátidas sean separadas durante la próxima fase.

La Anafase se caracteriza por la separación de dos cromátidas idénticas para cada cromosoma. Con el huso mitótico completo, los dos centrosomas empezaron a moverse hacia fuera, apartando cada cromátida lejos de la hermana y hacia lados opuestos de la célula.

La Telofase comienza cuando dos conjuntos de cromátidas alcanzan regiones distintas de la célula y una nueva membrana nuclear se comienza a formar alrededor de cada conjunto. El citocinesis también comienza durante la telofase, incluso antes que la nueva membrana nuclear sea completa. Sin embargo una vez que se forme, cada nueva membrana nuclear encierra un conjunto completo de cromosomas. Estas después de descondensan en la cromatina ordinaria de interfase, aparece un nucléolo en cada nuevo núcleo y el ciclo celular comienza de nuevo.

La Interfase no es una parte de la mitosis, pero es el estado de la célula entre divisiones nucleares cuando se esta preparando para el mitosis y el citocinesis. La interfase se discute en mas detalle a continuación.

Punto de Comprensión

¿Que nombre dio Flemming al material que forma cromosomas?

Estructura de componentes celulares importantes en la mitosis

Estructura de la cromatina

La cromatina consiste de ADN y proteínas especiales llamadas histonas. El ADN es una molecula larga que consiste de dos hebras de unidades químicas en repetición llamadas nucleótidos. Existen cuatro tipos de nucleótidos y la secuencia genética se basa en el orden en el cual estos cuatro tipos de nucleótidos se conectan, uno después del otro, a lo largo de la molécula. Es como el lenguaje construido de palabras compuestas de solo cuatro posibles letras, pero funciona bien debido a que la molecula de ADN permite que cada palabra sea bien grande (lea mas acerca de esto en nuestra serie acerca del ADN, específicamente ADN II: La Estructura del ADN). La densidad de la cromatina se cambia por todo el ciclo celular; esto depende en que tan fuerte se envuelve la hebra de ADN alrededor de las histonas y otras proteínas asociadas.

Chromatin
Figura 4: La sustancia dentro de las cromosomas, la cromatina consiste en ADN (información genética) y proteínas (llamadas histonas). image © Darryl Leja, NHGRI & www.genome.gov

Mientras que cromosomas son una manera de organizar la cromatina de organismos eucariotas en paquetes individuales, el numero de cromosomas varia ampliamente entre eucariotas. Humanos tienen 46, gatos y otros felinos tienen 38, perros tienen 78 y el trigo tiene 42, mientras que la hormiga Jack Jumper tiene solamente 2 y un cierto tipo de protozoo es famoso por tener casi 16,000.

Debe ser enfatizado que el mitosis ocurre solamente en celular eucariotas, debido a que solamente eucariotas tienen núcleos rodeados con membrana. Bacterias y arqueas, los otros dos dominios de vida, tienen cromosomas que no son separadas del resto de la célula; consecuentemente pueden reproducirse por un proceso mas simple llamado fisión binaria (para aprender mas, vea nuestro módulo El Descubrimiento y Estructura de Celulas).

Punto de Comprensión

Todos los organismos vivientes tienen el mismo numero de cromosomas

Microtúbulos y centrosomas

Justo como el ADN es una molécula grande construida de pedazos, los microtúbulos consisten en unidades repetitivas de la proteína llamada tubulina. Adicionalmente a formar una parte estructural como el esqueleto en su cuerpo, moléculas grandes basadas en sub-unidades de tubulina son vitales al mitosis y otras varias funciones dinámicas de células. De hecho se mueven, el cual es el porque las cromosomas pueden ser separadas, y porque toda la célula puede dividirse.

Todo esto toma una gran cantidad de organización y entonces células eucariotas dependen en los componentes conocidos como centros organizadores de microtúbulos (COMT). En células animales, el centrosoma es uno de los tipos principales de MTOC, como veremos en la próxima sección, se necesitan dos centrosomas durante la mitosis de una célula animal, cada miembro del par utilizando microtúbulos para llevar un conjunto de cromosomas hijas hacia un lado de la célula que se divide. Una centrosoma consiste de dos centriolos que son hechos de tubulina. Estos dos centriolos se arreglan en ángulos rectos o ortogonalmente y son rodeados por otras proteínas que hacen que la cromosoma sea mas que una sección doblada de microtúbulo.

Centrioles
Figura 5: Ilustración de una centrosoma, el cual consiste de dos centriolos con forma de barril (cada uno consiste de tubulina) en ángulos derechos continuos. image © Darryl Leja, NHGRI & www.genome.gov

Interfase: funciones de vida normal y preparación para el mitosis

A pesar de que no es parte de la mitosis, la interfase es importante discutir debido a que pone mitosis en contexto con respecto al ciclo celular. Para vertebrados (el sub-filo de animales del cual los animales pertenecen), la duración del ciclo de vida de cada célula varia, dependiendo del tipo de célula. Ciertos glóbulos blancos pueden vivir y ser reemplazados en un periodo de menos de un día. La mayoría de las células de cuerpo tienen ciclos de vida de días o meses. Otras, como las células de hueso, típicamente son reemplazadas sobre un periodo que se mide en décadas, mientras que ciertos tipos de células musculas enduran toda la vida del organismo. Estas células se dice estar en una interfase permanente conocida como G1.

Para células que se estarán moviendo de interfase a una nueva ronda de mitosis, la fase G1 termina en lo que se llama el punto de restricción, cuando la célula se compromete a replicación y entra la fase de síntesis de ADN, o fase S. A lo largo de G1, secciones de cromosomas descondensadas son accedidas al necesitarse por encimas utilizando la secuencia de ADN para hacer proteínas, pero en la fase S, toda la colección entera de material genético es copiado. Por lo tanto al final de la fase S, cada cromosoma descondensada existe duplicada, las dos copias destinadas en convertirse dos cromátidas hermanas cuando la cromosoma se condensa en la profase. Generalmente la fase S lleva a una fase transicional conocida como G2, a pesar de que las células de una especie de animales procede de la fase S directamente en la mitosis. Durante G2 las proteínas que apoyan el mitosis y citocinesis. Adicionalmente, muchos tipos de células pasan por un tipo de auto comprobación para asegurar todo esta correcto antes de que comience el mitosis y ciertos canceres se piensa que son resultado de células que no toman parte en la fase G2 y por ende evitando la comprobación que previene la mitosis en casos cuando nada esta correcto. Aprenda mas acerca del interfase en detalle en nuestro módulo División Celular I: El Ciclo Celular.

cell cycle lengths
Figura 6: Longitudes relativas de fases del ciclo celular.

Punto de Comprensión

____________ permanecen en una interface permanente

Preguntas y Respuestas de la planta de bígaro

Trabajo minucioso y sistemático es una manera de llevar a cabo de descubrimiento. Claro que en espacios modernos es la manera mas común. Pero no es la única manera. Un gran descubrimiento bien relevante a la mitosis vino inesperadamente y de una fuente sorprendente: hojas de te. No de té convencional, pero de tés de bígaro de Madagascar una planta conocida por sus bellas flores.

Vinca rosea y diabetes

En muchas partes del mundo, la gente hierve hojas de te del bígaro, previamente llamados Vinca rosea y ahora designada como Catharanthus roseus (usaremos el nombre antiguo Vinca). Este te es utilizado como un remedio popular para una variedad de enfermedades, pero especialmente como diabetes cuando la insulina y otros medicamentos convencionales no están disponibles. Es un remedio antiguo cuyo potencial en diabetes ha sido recientemente descubierta, pero fue vista con escrutinio en las investigaciones modernas en la década de 1950. Fascinado de escuchar acerca de la tradición, un endocrinólogo Canadiense de Toronto, Clark Noble, acepto una muestra de 25 hojas de bígaro de un paciente.

Periwinkle - Catharanthus roseus (Vinca rosea)
Figura 7: La planta de bígaro de Madagascar (Catharanthus roseus, llamada previamente Vinca rosea).

También un investigador endocrinólogo, Roberto Noble aprovecho la oportunidad de estudiar las hojas. Como se mencionó anteriormente, el tratamiento de insulina había estado disponible solamente por 30 años en ese entonces. Fue obtenido de cerdos, y suministros no fueron particularmente abundantes. Por otra parte, no funcionó bien para todos los pacientes diabéticos. Hoy sabemos que esto tiene que ver con el hecho que existen dos tipos principales de diabetes, los cuales ambos se manifiestan como la inhabilidad de absorber azúcar de la sangre a las células musculares del cuerpo llevando a una variedad de complicaciones a largo plazo en muchos sistemas corporales. Algunos diabéticos también carecen de la habilidad de producir insulina, entonces tomar insulina funciona muy bien para ellos. Sin embargo, en otros el problema es que sus células musculares no responden bien a la insulina. Producen insulina y sin embargo sus niveles de azúcar no son altos. La insulina les puede ayudar un poco pero no completamente y para unos no ayuda para nada. Hoy en día, tenemos medicamentos para que sus células musculares sean mas sensibles a la insulina, pero la situación era muy diferente en la década de 1950. Por ende, Roberto Noble felizmente se puso a estudiar las hojas de Vinca que su hermano mayor le había enviado.

Noble comenzó formulando preguntas que podrían ser contestadas por medio de experimentos en animales de laboratorios tales como conejos y ratones. Cuando los inyectan, será que un extracto de hojas bajaría el nivel de azúcar en la sangre de un animal? ¿Previniera el desarrollo de síntomas diabéticos como la orina excesiva? Previniera el desarrollo de circulación de sangre o ceguera? O, si se inyecta en un animal que ya tiene diabetes, revertía la condición? El proceso de utilizar animales de laboratorio que tienen cierta condición medica para poder probar un agente que puede afectar esa condición se conoce como modelo animal. En este caso, Noble empleaba modelos de diabetes de conejos y ratones.

Después de correr una serie de experimentos, el joven Noble mas joven encontró de que el extracto de Vinca rosea no tenia ningún efecto en diabetes. De hecho, en dosis bien altas, hizo que animales se enfermaran bastante. Morían de infecciones debido a que sus números de glóbulos blancos eran demasiado bajos. Algo de las hojas de Vinca prevenían que la médula ósea produjera glóbulos blancos, la cual es la base del sistema inmune.

Vinca rosea y glóbulos blancos

Noble no sabia porque el extracto de Vinca mataba los glóbulos blancos de ratones, pero se preguntó si esta propiedad pudiese ser útil para gente que tiene demasiados glóbulos blancos. En otras palabras se preguntó si el extracto de Vinca podría ser utilizado para trata la leucemia, un tipo de cáncer caracterizado por números excesivamente altos de glóbulos blancos. Para averiguar esto, Noble se unió con las fuerzas del químico C.T. Beer para aislar el compuesto químico especifica del extracto de Vinca que causo el efecto.

Encontraron el compuesto que pertenecía a una clase de químicos conocidos como alcaloides, y lo nombraron vinblastina. Cambiando de un modelo de animales de diabetes a uno de leucemia, Robert Noble comenzó una nueva serie de experimentos viendo los efectos de la vinblastina en leucemia y otras enfermedades que son causadas por replicación de células no controladas.

Después del éxito con los experimentos de animales, vinblastina se comprobó ser mas efectiva en pruebas clínicas de pacientes de cáncer en Toronto. Después un compuesto relacionado llamado vincristina fue aislado por otro investigador. Un gran rango de compuestos de Vinca adicional siguieron y cada uno probo útil contra varios tipos de cáncer, aunque la vinblastina y vincristina son los mas famosos.

¿Qué tan bien funcionan? Para darle una idea, medicamentos de Vinca aun son utilizados hoy en día, comúnmente en combinaciones con otros medicamentos de quimioterapia y han llevado a un incremento dramático en la sobrevivencia al cáncer, La Vincristina, por ejemplo, es parte de una combinación contra la leucemia infantil mas común conocida como leucemia linfoblástica aguda (ALL por sus siglas en inglés). En 1950, un diagnosis era una sentencia a muerte para un niño o niña, con una tasa de sobrevivencia de 5 por ciento. Hoy en día, la tasa de sobrevivencia de ALL es de casi 95 por ciento. Similarmente la enfermedad de Hodgkin – un tipo de cáncer de los ganglios linfáticos que a menudo afecta a jóvenes adultos – tenia una pobre tasa de sobrevivencia en la década de 1950 y para el año 1980 la tasa de sobrevivencia había aumentado en un 75 por ciento, gracias en gran parte a la vinblastina, el medicamento que Noble descubrió en las hojas de Vinca.

Todo esto vino de dos hermanos que no habían planeado realizar investigaciones de cáncer. A diferencia de Walther Flemming, quien tenia un plan y sabia precisamente lo que buscaba, el descubrimiento de la vinblastina es una historia de serendipia o un accidente afortunado.

Punto de Comprensión

El extracto de Vinca era efectivo en el tratamiento de

Cancer y Mitosis

¿Cómo es que un químico extraído de una planta es tan eficiente contra la leucemia? ¿Qué hace la vinblastina en las células de conejos, ratones y personas con cáncer? Hoy en día, cuando patólogos observan bajo un microscopio lo que sospechan que es cáncer, le ponen mucha atención al mitosis. Cada vez que ocurre el mitosis lleva a una célula padre a partirse en dos nuevas células hijas. Mientras que esa formula siempre es la misma, el ritmo en el cual ocurre la mitosis varia sustancialmente. Igual que otras células en el cuerpo, el ciclo de vida de diferentes cánceres puede variar. Unos tienen un ciclo de vida corto con la mitosis ocurriendo frecuentemente, mientras que en otras células de cáncer el mitosis es poco frecuente. Cuando se sospecha el cáncer, los patólogos miran que tan rápido y que tan frecuentemente ocurre la mitosis. Células de cáncer que pasan por mas mitosis tienen la tendencia de ser mas agresivas que células de cáncer que son mas relajadas. Esto significa que si se ralentiza, entonces puede que se ralentice o revierta el desarrollo de cáncer.

Resulta que eso es exactamente como trabajan los alcaloides de Vinca. Cuando Robert Noble le dio te de bígaro a animales de laboratorio y después cuando dio el compuesto de vinblastina aislada a pacientes humanos, la división celular se ralentizo en las glóbulos blancos. Fue después descubierto que el compuesto se interfiere con mitosis. Adicionalmente los varios compuestos Vinca que fueron eventualmente descubiertos cada uno interfieren con mitosis en diferentes etapas y por diferentes razones. Resulta que los compuestos distraen la asamblea de microtúbulos – las fibras especiales que proveen estructura en la célula. Vinblastina se une a las sub unidades de tubulina, previniéndolos en ajuntarse.

Las preguntas que Robert Noble y las generaciones de investigadores de cáncer que arrimaron a el fueron inspiradas para preguntar y ser investigadas en una manera bien sistemática. Teniendo una idea de que buscaba, investigadores aislaron nuevos medicamentos y refinaron los trabajos del sistema de microtúbulos. Así es que aunque pueda empezar con un descubrimiento afortunado, ultimadamente el avance científico requiere un plan claro y trabajo mas largo.

Resumen

Comenzando con el descubrimiento de mitosis, este módulo detalla cada fase de este proceso. Provee una vista general de la estructura de componentes celulares que son críticos en la mitosis. El módulo describe los experimentos de Clarke Noble con el bígaro de Madagascar, el cual llevó al descubrimiento de una droga de tratamiento efectivo para el cáncer. La relación entre mitosis y cáncer se explora tal como es el mecanismo por el cual las drogas de anti cáncer trabajan para atrasar o prevenir la división celular.

Conceptos Clave

  • El termino mitosis se refiere específicamente al proceso en el cual el núcleo de células eucariotas se divide en dos núcleos idénticos antes de la división celular.

  • Mitosis es un proceso cíclico que consiste de cinco fases que alimentan el uno al otro: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase.

  • El ritmo en el cual ocurre la mitosis depende del tipo de célula. Algunas células se replican mas rápidamente y otras mas lentamente y el proceso entero puede ser interrumpido.

  • Las cromosomas consisten de un material llamado cromatina, el cual se dispersa a través del núcleo de la célula durante interfase. Sin embargo, durante el mitosis la cromatina se condensa haciendo que cada cromosoma individual sea visible bajo una luz ordinaria microscópica.

  • NGSS
  • HS-C6.2, HS-LS1.A1, HS-LS1.B1

David Warmflash, MD, Nathan H Lents, Ph.D. “División Celular II” Visionlearning Vol. BIO-4 (2), 2015.