El cicle cel·lular, cromosomes i cariotip

Una de les característiques que fan de les cèl·lules la forma més bàsica de vida, és que són capaces de fer les tres funcions vitals:

Nutrició, Relació i Reproducció

Respecte a la nutrició ja sabem que la realitzen mitjançant l'adquisició de matèria del medi que els envolta transformant-la gràcies a una sèrie de reaccions químiques (respiració cel·lular i/o fotosíntesis) en tot allò que la cèl·lula necessita per sobreviure.

La relació, les cèl·lules les realitzen tot captant informació de l'exterior que processen elaborant la resposta adequada en cada ocasió.

La finalitat de la reproducció és l'obtenció de noves unitats cel·lulars a partir d'una d'inicial, és a dir, les cèl·lules es reprodueixen tot fabricant una còpia de si mateixes:

Però, perquè necessita la cèl·lula reproduir-se? En els organismes pluricel·lulars la reproducció cel·lular és imprescindible en processos tals com:

• Regeneració de teixits: els teixits dels éssers vius es regeneren contínuament. Cada tipus de teixit es regenera a un ritme diferent, per exemple la pell triga 21 dies; mentre que l'epiteli de l'intestí prim són tan sols 3 o 4 dies. El fetge triga entre sis mesos i un any i les cèl·lules musculars triguen uns 15 anys en renovar-se.
• Reparació de teixits: quan succeeix un traumatisme que produeix danys al teixit, com per exemple un tall a la pell, es fa necessari una regeneració del teixit que repari els danys ocasionats.
• Creixement: Durant un temps determinat, les cèl·lules es divideixen a un ritme més elevat per tal de modificar el cos de l'individu i que adquireixi els trets característics dels individus adults de l'espècie.
• Reproducció de l'individu: La finalitat d'aquest procés és la formació de nous individus.

Podem dir doncs, que en la vida de tota cèl·lula hi ha dos fases ben diferenciades:

• La interfase és una fase intermèdia en la que la cèl·lula fa les funcions de nutrició i relació i es prepara per a la reproducció fent crèixer la cèl·lula i duplicant orgànuls. És la fase de vida més llarga en la que l'ADN està descondensat parcialment en forma de cromatina i s'està transcrivint per poder fabricar les proteïnes necessàries. Abans de finalitzar aquesta fase, l'ADN es replica completament per poder iniciar la reproducció.
• Una fase de reproducció (fase M) en la que la cèl·lula es dividirà. En aquesta fase l'ADN està completament condensat en forma de cromosomes.

Cromosomes:

Els cromosomes són estructures tridimensionals fruits de la condensació extrema de l'ADN. Per poder fer la divisió cel·lular es fa necessari tenir l'ADN organitzat en forma de cromosomes, ja que així és més fàcil repartir el mateix nombre de cromosomes a cada cèl·lula filla. Hem de tenir en compte que és imprescindible replicar l'ADN, per aconseguir cèl·lules filles amb la mateixa dotació de cromosomes que la cèl·lula original.

Quan observem un cromosoma en forma de X hem de tenir en compte que el que estem veient és l'ADN duplicat i preparat per la divisió cel·lular, és a dir, cada barra vertical o cromàtide, es correspon a un joc complet d'ADN que passarà a cada cèl·lula filla durant la reproducció cel·lular. A aquestes dues cromàtides que formen el mateix cromosoma en forma de X se les anomena cromàtides germanes.

A la imatge podem veure les diferents parts d'un cromosoma:

• Telòmer: la part terminal d'un cromosoma
• Braç curt: El braç més curt del cromosoma.
• Centròmer: el punt central on s'uneixen les cromàtides germanes.
• Braç llarg: el braç més llarg del cromosoma.

Els cromosomes es classifiquen segons la mida relativa dels dos braços:

A més els cromosomes també els podem classificar en funció de si determinen el sexe biològic de l'individu o no:

• Heterocromosomes: són els cromosomes que determinen el sexe biològic de l'individu. En els humans serien el cromosoma X i el cromosoma Y de manera que quan el sexe biològic és femení tindrien dos cromosomes X i quan és masculí un cromosoma X i un cromosoma Y.
• Autosomes: La resta de cromosomes d'una espècie i que determinen característiques d'aquesta espècie.

A nivell d'espècie en una cèl·lula hi podria haver un o dos heterocromosomes (algunes espècies determinen el sexe amb la presència o no d'un dels dos heterocromosomes) i la resta dels cromosomes de la cèl·lula serien autosomes. El nombre i les característiques dels cromosomes són propis de cada espècie i amb això és pot construir un esquema visual de com són els cromosomes. A aquest "esquema" se li anomena cariotip:

• Cariotip: És el patró cromosòmic d'una espècie, ordenat d'una forma determinada, que expressa les característiques dels cromosomes i que és únic per a cada espècie.

En el cariotip següent podem identificar els 22 parells d'autosomes dels humans i al final, veiem els dos heterocromosomes, en aquest cas serien 2 cromosomes X que determinarien que es tracta d'una femella. 

Un altre exemple de cariotip ben conegut és el de la Drosophila Melanogaster, la mosca de la fruita amb només 4 cromosomes:

A nivell cel·lular, la relació entre el nombre de cromosomes de la cèl·lula original i les cèl·lules filles també permet fer una sèrie de classificacions:

La gran majoria de les cèl·lules humanes són cèl·lules que tenen la meitat de cromosomes originaris d'un progenitor i l'altra meitat originaris d'un altre progenitor. És a dir, cada cèl·lula del nostre cos té la meitat de cromosomes de la nostra mare i l'altra meitat del nostre pare. En el cas dels humans 23 cromosomes del pare i 23 cromosomes de la mare, en total 46 o 23 parells. A aquestes cèl·lules que tenen dos jocs complets de cromosomes s'anomenen cèl·lules diploides.

• Cèl·lules diploides: Són aquelles cèl·lules que tenen la mateixa dotació cromosòmica que l'individu (2n cromosomes)

Però com és possible? Si quan una cèl·lula es divideix replica el seu ADN per tenir cèl·lules filles iguals a les cèl·lules originals com podem tenir la meitat de cromosomes del nostre pare i l'altra meitat de la nostra mare? No hauríem de tenir el doble de cromosomes? Però si tenim el doble seguim sent humans?

La clau està en una forma de divisió cel·lular que permet reduir a la meitat el nombre de cromosomes i generar el que s'anomenen cèl·lules haploides:

• Cèl·lules haploides: són aquelles cèl·lules que tenen la meitat de dotació cromosòmica que l'individu (n cromosomes)

Aquestes cèl·lules són produïdes per uns òrgans on es situen les anomenades cèl·lules germinals, és a dir, cèl·lules diploides que s'encarreguen de fabricar els gàmetes (òvuls i espermatozous) que serviran per a la reproducció sexual dels individus de l'espècie. Així doncs, els gàmetes o cèl·lules sexuals són cèl·lules haploides, amb la meitat de cromosomes, produïdes amb la finalitat de la reproducció sexual. Ja que sols si tenen la meitat de cromosomes podem mantenir la dotació cromosòmica característica de cada espècie.

La resta de cèl·lules del cos dels organismes pluricel·lulars, és a dir, totes aquelles cèl·lules que no són productores de gàmetes, són cèl·lules diploides que en reproduir-se produeixen també cèl·lules diploides. S'anomenen cèl·lules somàtiques.

La Meiosis

La Meiosis és un procés de duplicació cel·lular imprescindible per a la reproducció sexual. Succeeix en les cèl·lules germinals i la seva funció és produir els gàmetes tant masculins com a femenins que desprès s'uniran per obtenir un nou individu.
En aquest sentit ens trobem que les cèl·lules somàtiques del nostre cos tenen una dotació genètica de 2n cromosomes, és a dir, tenim sempre dos cromosomes homòlegs, un del pare i un altre de la mare que codifiquen la mateixa informació genètica. Si fessim servir la mitosis per elaborar els gàmetes ens trobaríem amb el problema que els gàmetes tindrien 2n cromosomes i per tant en unir-se duplicaríem la dotació cromosòmica de l'individu. Així, en tenir un cariotip diferent, per cada nova generació, obtindríem una espècie diferent. Sabem que això no és així doncs el cariotip, la dotació cromosòmica pròpia de cada espècie és manté constant. Així doncs, la meiosis soluciona aquest problema, doncs mitjançant aquest procés aconseguim dividir entre dos la dotació cromosòmica de manera que quan ambdós gàmetes s'uneixen obtenim el cariotip propi de les cèl·lules somàtiques.

Però la meiosis no sols aporta aquesta avantatge en front la mitosis. Mentre que la mitosis aporta cèl·lules filles idèntiques a les cèl·lules mares (tret que hi hagi hagut alguna mutació durant el procés de replicació genètica) en la meiosis les cèl·lules filles són sempre diferents, genèticament parlant, a les cèl·lules mares. La recombinació genètica que es produeix durant la primera fase de la meiosis permet aquesta variabilitat genètica clau que suposa la gran variabilitat genètica que trobem a la natura.
Veiem les fases de la Meiosis:
Meiosis I o fase reductora:
Profase I
La fase més llarga i complexa. Apareixen els cromosomes, desapareix la membrana cel·lular, el centrosoma migra als pols de la cèl·lula.

Els cromosomes homòlegs s'uneixen mitjançant el centròmer en les anomenades tètrades. Es dóna el procés de recombinació genètica entre cromosomes homòlegs. En aquesta fase, com podeu veure en les imatges, els cromosomes es barregen entre sí donant lloc a cromosomes amb dotació genètica diferent de la original.

Metafase I
Les tètrades se situen en el pla equatorial de la cèl·lula. El fus meiòtic creix des de els centrosomes i s'uneix amb els centròmers de les tètrades.

Anafase I
El fus meiòtic es contrau. Les tètrades se separen, cada cromosoma homòleg migra a un dels pols de la cèl·lula. En aquest punt, la dotació cromosòmica es divideix per la meitat.

Telofase I
Apareix una nova membrana nuclear envoltant els cromosomes, es dóna el procés de citocinesi.

Immediatament després de la telofase I comença una nova divisió cel·lular de manera que el DNA no pot replicar-se. Aquest nou procés conegut amb el nom de Meiosis II és molt similar a la mitosis:

Profase II
Desapareix la membrana nuclear, els centrosomes migren als pols de la cèl·lula.

Metafase II
Els cromosomes es situen al pla equatorial de la cèl·lula. El fus meiòtic creix des de els centrosomes i s'uneix al centròmer de cada cromosoma.

Anafase II
El fus meiòtic es contrau, les cromàtides germanes se separen i migren als pols de la cèl·lula.

Telofase II
Apareix la membrana nuclear, es dupliquen els orgànuls i es produeix la citocinesi.

Si us fixeu en les imatges, com a resultat hem obtingut 4 cèl·lules filles, haploides (amb la meitat de cromosomes) i amb una dotació genètica diferent de la cèl·lula mare.