7.5: Reproducción Sexual: Meiosis y gametogénesis

Todo en la familia

La foto de familia en Figura\(\PageIndex{1}\) ilustra un punto importante. Los niños en una familia se parecen a sus padres y entre sí, pero los hijos nunca son exactamente iguales a menos que sean gemelos idénticos. Cada uno de los niños de la foto heredó una combinación única de rasgos de los padres. En este concepto, aprenderás cómo sucede esto. Todo comienza con el sexo — la reproducción sexual, es decir.

Figura\(\PageIndex{1}\): Foto familiar

Reproducción Sexual

¿Por qué te ves parecido a tus padres, pero no idénticos? Primero, es porque tienes dos padres. Segundo, es por la reproducción sexual. Mientras que la reproducción asexual produce clones genéticamente idénticos, la reproducción sexual produce individuos genéticamente diversos. La reproducción sexual es la creación de un nuevo organismo al combinar el material genético de dos organismos. Como ambos padres aportan la mitad del material genético del nuevo organismo, la descendencia tendrá rasgos de ambos padres, pero no será exactamente como ninguno de los padres.

Figura\(\PageIndex{2}\): El cruce ocurre durante la meiosis I, y es el proceso donde los cromosomas homólogos se emparejan entre sí e intercambian diferentes segmentos de su material genético para formar cromosomas recombinantes. En algunas especies, el cruce es esencial para la segregación normal de cromosomas durante la meiosis. El cruce también aumenta la variación genética, ya que debido al intercambio de material genético durante el cruce, las cromátidas unidas por el centrómero ya no son idénticas. Entonces, cuando los cromosomas pasan a la meiosis II y se separan, algunas de las células hijas reciben cromosomas hijos con alelos recombinados. Debido a esta recombinación genética, las crías tienen un conjunto de alelos y genes diferente al de sus padres. En el diagrama, los genes B y b se cruzan entre sí, haciendo los recombinantes resultantes después de la meiosis Ab, AB, ab y Ab.l.

Los organismos que se reproducen sexualmente al unirse a los gametos, proceso conocido como fertilización, deben tener un mecanismo para producir gametos haploides. Este mecanismo es la meiosis, un tipo de división celular que reduce a la mitad el número de cromosomas. Durante la meiosis, los pares de cromosomas se separan y segregan aleatoriamente para producir gametos con un cromosoma de cada par. La meiosis implica dos divisiones nuclear y celular sin interfase intermedia, comenzando con una célula diploide y generando cuatro células haploides. Cada división, denominada meiosis I y meiosis II, tiene cuatro etapas: profase, metafase, anafase y telofase. Estas etapas son similares a las de la mitosis, pero existen diferencias distintas e importantes.

Previo a la meiosis, el ADN de la célula se replica, generando cromosomas con dos cromátidas hermanas. Una célula humana previa a la meiosis tendrá 46 cromosomas, 22 pares de autosomas homólogos y 1 par de cromosomas sexuales. Los cromosomas homólogos (Figura\(\PageIndex{2}\)), u homólogos, son similares en tamaño, forma y contenido genético; contienen los mismos genes, aunque pueden tener diferentes alelos de esos genes. Los genes/alelos se encuentran en los mismos loci en cromosomas homólogos. Heredas un cromosoma de cada par de homólogos de tu madre y el otro de tu padre. La reproducción sexual es el principal método de reproducción para la gran mayoría de los organismos multicelulares, incluyendo casi todos los animales y plantas. La fertilización une dos gametos haploides en un cigoto diploide, la primera célula de un nuevo organismo. El cigoto ingresa al G1 del primer ciclo celular, y el organismo comienza a crecer y desarrollarse a través de la mitosis y la división celular.

Meiosis

Figura\(\PageIndex{3}\): Visión general de la meiosis. Durante la meiosis, los cromosomas homólogos se separan y van a diferentes células hijas. Este diagrama muestra solo los núcleos de las células. Observe el intercambio de material genético que ocurre antes de la primera división celular.

El proceso que produce gametos haploides se llama meiosis. La meiosis es un tipo de división celular en la que el número de cromosomas se reduce a la mitad. Ocurre sólo en ciertas células especiales de un organismo. En los mamíferos, la meiosis ocurre solo en las células productoras de gameto dentro de las gónadas. Durante la meiosis, los cromosomas homólogos (emparejados) se separan y se forman células haploides que tienen solo un cromosoma de cada par. La figura\(\PageIndex{3}\) ofrece una visión general de la meiosis.

Como se puede ver en el diagrama de meiosis, dos divisiones celulares ocurren durante el proceso general, por lo que se producen un total de cuatro células haploides. Las dos divisiones celulares se llaman meiosis I y meiosis II. La meiosis I comienza después de que el ADN se replica durante la interfase. Meiosis II sigue a la meiosis I sin que el ADN se replique de nuevo. Tanto la meiosis I como la meiosis II ocurren en cuatro fases, llamadas profase, metafase, anafase y telofase. Se pueden reconocer estas cuatro fases a partir de la mitosis, la división del núcleo que tiene lugar durante la división celular rutinaria de las células eucariotas.

Figura\(\PageIndex{4}\): Etapas completas de la meiosis: Una célula animal con un número diploide de cuatro (2n = 4) procede a través de los estadios de meiosis para formar cuatro células hijas haploides.

Meiosis I

1. Profase I: La envoltura nuclear comienza a descomponerse, y los cromosomas se condensan. Los centriolos comienzan a moverse a polos opuestos de la celda, y comienza a formarse un huso. Es importante destacar que los cromosomas homólogos se emparejan, lo que es exclusivo de la profase I. En la profase de mitosis y meiosis II, los cromosomas homólogos no forman pares de esta manera. Durante la profase I, se produce el cruce. La significación del cruce se discute en la siguiente sección llamada variaciones.
2. Metafase I: Las fibras del huso se adhieren a los cromosomas homólogos emparejados. Los cromosomas emparejados se alinean a lo largo del ecuador de la célula. Esto ocurre sólo en la metafase I. En la metafase de mitosis y meiosis II, son las cromátidas hermanas las que se alinean a lo largo del ecuador de la célula.
3. Anafase I: Las fibras del huso se acortan y los cromosomas de cada par homólogo comienzan a separarse entre sí. Un cromosoma de cada par se mueve hacia un polo de la célula, y el otro cromosoma se mueve hacia el polo opuesto.
4. Telofase I y citocinesis: El huso se descompone y se forman nuevas membranas nucleares. El citoplasma de la célula se divide y se obtienen dos células hijas haploides. Cada una de las células hijas tiene un surtido aleatorio de cromosomas, con uno de cada par homólogo. Ambas células hijas pasan a la meiosis II.

Meiosis II

1. Profase II: La envoltura nuclear se descompone y el huso comienza a formarse en cada célula hija haploide a partir de la meiosis I. Los centriolos también comienzan a separarse.
2. Metafase II: Las fibras del huso alinean las cromátidas hermanas de cada cromosoma a lo largo del ecuador de la célula.
3. Anafase II: Las cromátidas hermanas se separan y se mueven a polos opuestos.
4. Telofase II y citocinesis: El huso se descompone y se forman nuevas membranas nucleares. El citoplasma de cada célula se divide y resultan cuatro células haploides. Cada célula tiene una combinación única de cromosomas.

Gametogénesis

Figura\(\PageIndex{5}\): Un espermatozoide humano es una célula diminuta con cola. Un huevo humano es mucho más grande. Ambas células son gametos haploides maduros que son capaces de fertilizar. ¿Qué proceso se muestra en esta fotografía?

Al final de la meiosis se han producido cuatro células haploides, pero las células aún no son gametos. Las células necesitan desarrollarse antes de que se conviertan en gametos maduros capaces de fertilizarse. El desarrollo de células diploides en gametos se llama gametogénesis. Se diferencia entre machos y hembras.

• Un gameto producido por un macho se llama esperma, y el proceso que produce un espermatozoide maduro se llama espermatogénesis. Durante este proceso, un espermatozoide crece una cola y gana la capacidad de “nadar”, como el espermatozoide humano que se muestra en la siguiente figura.
• Un gameto producido por una hembra se llama huevo, y el proceso que produce un óvulo maduro se llama ogenesis. Solo se produce un óvulo a partir de las cuatro células haploides que resultan de la meiosis. El huevo único es una célula muy grande, como se puede apreciar en el óvulo humano que también se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

Espermatogénesis

La espermatogénesis ocurre en la pared de los túbulos seminíferos, con células madre en la periferia del tubo y los espermatozoides en la luz del tubo. Inmediatamente debajo de la cápsula del túbulo se encuentran células diploides, indiferenciadas. Estas células madre, llamadas espermatogonia (singular: espermatagonium), pasan por mitosis con una descendencia pasando a diferenciarse en una célula espermática, mientras que la otra da lugar a la siguiente generación de espermatozoides.

Figura\(\PageIndex{6}\): Espermatogénesis Durante la espermatogénesis, cuatro espermatozoides resultan de cada espermatocito primario, que se divide en dos espermatocitos secundarios haploides; estas células pasarán por una segunda división meiótica para producir cuatro espermátidas.

La meiosis comienza con una célula llamada espermatocito primario. Al final de la primera división meiótica, se produce una célula haploide llamada espermatocito secundario. Esta célula haploide debe pasar por otra división celular meiótica. La célula producida al final de la meiosis se llama espermátida. Cuando alcanza la luz del túbulo y crece un flagelo (o “cola”), se le llama espermatozoide. Cuatro espermatozoides resultan de cada espermatocito primario que pasa por meiosis.

Las células madre se depositan durante la gestación y están presentes al nacer hasta el inicio de la adolescencia pero en estado inactivo. Durante la adolescencia, las hormonas gonadotrópicas de la hipófisis anterior provocan la activación de estas células y la producción de espermatozoides viables. Esto continúa en la vejez.

Oogénesis

La ogénesis ocurre en las capas más externas de los ovarios. Al igual que con la producción de esperma, la ovogénesis comienza con una célula germinal, llamada oogonio (plural: oogonia), pero esta célula sufre mitosis para aumentar en número, resultando eventualmente en hasta uno a dos millones de células en el embrión.

Figura\(\PageIndex{7}\): Oogénesis El proceso de ovogénesis ocurre en la capa más externa del ovario. Un ovocito primario inicia la primera división meiótica pero luego se detiene hasta más tarde en la vida cuando terminará esta división en un folículo en desarrollo. Esto da como resultado un ovocito secundario, que completará la meiosis si es fertilizado.

La célula que inicia la meiosis se llama ovocito primario. Esta célula iniciará la primera división meiótica, pero será detenida en su avance en la primera etapa de profase. Al momento del nacimiento, todos los óvulos futuros se encuentran en la etapa de profase. En la adolescencia, las hormonas hipofisarias anteriores provocan el desarrollo de una serie de folículos en un ovario. Esto da como resultado que el ovocito primario termine la primera división meiótica. La célula se divide de manera desigual, con la mayor parte del material celular y orgánulos yendo a una célula, llamada ovocito secundario, y sólo un conjunto de cromosomas y una pequeña cantidad de citoplasma yendo a la otra célula. Esta segunda célula se llama cuerpo polar y generalmente muere. Se produce una detención meiótica secundaria, esta vez en la etapa metafase II. En la ovulación, este ovocito secundario será liberado y viajará hacia el útero a través del oviducto. Si se fertiliza el ovocito secundario, la célula continúa a través de la meiosis II, completando la meiosis, produciendo un segundo cuerpo polar y un óvulo fertilizado que contiene los 46 cromosomas de un ser humano, la mitad de ellos provenientes del esperma.

Revisar

1. Explicar cómo se produce la reproducción sexual a nivel celular.
2. Resumir lo que ocurre durante la meiosis.
3. Comparar y contrastar la gametogénesis en machos y hembras.
4. Explicar mecanismos que incrementan la variación genética en la descendencia producida por la reproducción sexual.
5. ¿Por qué los gametos necesitan ser haploides? ¿Qué pasaría con el número de cromosomas después de la fecundación si fueran diploides?
6. Describir una diferencia entre la profase I de la meiosis y la profase de la mitosis.
7. ¿Todos los cromosomas que obtuviste de tu madre van a uno de tus gametos? ¿Por qué o por qué no?
8. Verdadero o Falso. El cruce es el intercambio de material genético entre cromátidas hermanas.
9. Verdadero o Falso. Los espermatozoides humanos son haploides.
10. Verdadero o Falso. Las cromátidas hermanas se separan entre sí durante la meiosis I.
11. ¿Cuántas células se producen después de que una sola célula pasa por meiosis?
12. ¿Qué etapa de la meiosis (profase I o II; metafase I o II; anafase I o II; telofase I o II) se ajusta mejor a las siguientes descripciones? Elija solo uno para cada descripción.
    1. Pares de cromosomas homólogos se alinean a lo largo del ecuador de la célula
    2. Las cromátidas hermanas se separan
    3. Cromosomas homólogos separados entre sí

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Un tipo especial de división celular conocida como meiosis es responsable de tu singularidad. Conoce más aquí:

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Atribuciones

1. Foto de familia por @donita, liberada al dominio público vía Nappy
2. Cruce cromosómico por Abbyprovenzano, CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons
3. Grandes eventos en meiosos por NCBI, dominio público vía Wikimedia Commons
4. Meiosis por OpenStax, CC BY 4.0
5. Óvulo de esperma, dominio público vía Wikimedia Commons
6. Espermatogénesis por OpenStax, CC BY 4.0
7. Oogénesis por OpenStax, CC BY 4.0
8. Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0