Fecundación y División Celular: Etapas Clave en el Desarrollo Embrionario
Nuestra vida comienza a partir de una única célula: el cigoto. Durante su desarrollo se divide sucesivamente y así finalmente se forma un ser humano listo para nacer. Luego, una vez nacemos, seguimos creciendo hasta llegar a la edad adulta, y para crecer se necesitan más células. Por lo tanto nuestras células se siguen dividiendo.
La fecundación es el extraordinario proceso biológico que marca el inicio de una nueva vida. Es la unión de un óvulo y un espermatozoide para formar una única célula llamada cigoto, que contiene el mapa genético completo de un nuevo ser.
Para que la fecundación ocurra es necesario que la mujer esté en una fase concreta de su ciclo menstrual: la fase de ovulación. Esta sucede aproximadamente en el día 14 del ciclo, cuando el óvulo maduro sale del ovario y llega a la trompa de Falopio. Atraídos por las sustancias que emite el óvulo ascenderán por el cuello del útero y la cavidad uterina hasta llegar a las trompas de Falopio, donde se encuentra el óvulo. De todos esos millones de espermatozoides únicamente unos doscientos logran llegar hasta aquí y solo uno de ellos conseguirá atravesar la membrana externa del óvulo y fusionarse con él.
La fecundación humana ocurre de forma natural en el tercio externo de las trompas de Falopio, el conducto que conecta los ovarios con el útero. El momento es crítico. La fecundación solo puede ocurrir durante el periodo de ovulación. Un óvulo es viable durante aproximadamente 12-24 horas tras ser liberado por el ovario. Los espermatozoides, por su parte, pueden sobrevivir en el tracto reproductor femenino hasta 5 días.
Etapas de la Fecundación Natural
Aunque el proceso de unión entre óvulo y espermatozoides pueda parecer muy sencillo, lo cierto es que deben darse varios mecanismos y cambios en ambos gametos para que pueda ocurrir la fecundación.
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A continuación, se detalla paso a paso las distintas etapas de la fecundación en el ser humano:
Penetración de la Corona Radiada
El proceso de fecundación se inicia con la penetración de los espermatozoides a través de la capa de células que rodea el óvulo: la corona radiada. Los espermatozoides consiguen atravesar esta capa gracias a la liberación de la enzima hialuronidasa y el movimiento de su flagelo (la cola). Una vez atraviesan esta capa, los espermatozoides se encuentran con una segunda barrera: la zona pelúcida, la capa externa que rodea al óvulo.
Penetración de la Zona Pelúcida
Se necesita más de un espermatozoide para lograr degradar la zona pelúcida, aunque finalmente solo uno de ellos podrá entrar en el óvulo. Para poder atravesar esta segunda barrera, la cabeza del espermatozoide establece contacto con el receptor ZP3 de la zona pelúcida del óvulo. Esto desencadena la reacción acrosómica, que consiste en la liberación de enzimas hidrolíticas denominadas espermiolisinas. Dichas enzimas disuelven la zona pelúcida para permitir el paso del espermatozoide.
Asimismo, la reacción acrosómica provoca una serie de cambios en el espermatozoide que permiten su capacitación final para poder penetrar en el interior del óvulo fundiendo sus membranas.
Fusión de Membranas
Cuando el espermatozoide entra en contacto con la membrana plasmática del óvulo, se desencadenan 3 procesos distintos en el gameto femenino:
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- La formación del cono de fecundación.
- La despolarización instantánea de su membrana.
- La liberación de gránulos corticales al espacio perivitelino.
La formación del cono de fecundación permite la fusión de la membrana del óvulo con la del espermatozoide para que la cabeza del espermatozoide pueda entrar. A su vez, gracias a la despolarización de la membrana del óvulo y a la liberación de gránulos corticales, se evita la entrada de otro espermatozoide.
Fusión de Núcleos y Formación del Cigoto
Con la entrada del espermatozoide, el óvulo se activa para terminar la meiosis, proceso que permite la reducción del número de cromosomas. Así, se libera el segundo corpúsculo polar y los cromosomas se colocan formando una estructura denominada pronúcleo femenino.
Los pronúcleos son los núcleos de los gametos, los cuales tienen la particularidad de disponer de la mitad de cromosomas con respecto al resto de células del cuerpo, esto es, 23 cromosomas.
Por su parte, el espermatozoide avanza hasta que su cabeza, que contiene el núcleo del espermatozoide, queda junto al pronúcleo femenino. La cola se desprende para terminar degenerando y el núcleo se hincha para formar el pronúcleo masculino.
Una vez ambos pronúcleos se encuentran uno junto al otro, ocurre la fusión de ambos. Esto supone que las membranas de ambos pronúcleos desaparezcan para que sus cromosomas puedan juntarse y que la célula restablezca su dotación cromosómica, es decir, 46 cromosomas en total.
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Todo este proceso de la fecundación culmina con la formación del cigoto humano: primera célula del organismo fruto de la unión del óvulo y el espermatozoide.
Además de todo esto, en la fecundación queda establecido si el futuro bebé será un niño o una niña en función de sus cromosomas sexuales:
- Cigoto masculino: sus cromosomas sexuales son XY y el futuro bebé será un niño.
- Cigoto femenino: sus cromosomas sexuales son XX y el futuro bebé será una niña.
El óvulo siempre es portador del cromosoma X. Por tanto, el sexo del embrión se definirá según si el espermatozoide es portador de un cromosoma X o un cromosoma Y.
División Celular: Mitosis y Meiosis
A lo largo de la evolución, los organismos han conseguido desarrollarse y ser cada vez más complejos gracias a los procesos de división celular. Podemos diferenciar dos tipos de división celular, la mitosis y la meiosis. En nuestra especie, ambos mecanismos se integran en la vida del individuo para crecer y reproducirse. De esta forma, se originan los ciclos de vida, que pueden ser diferentes de unas especies a otras.
Es interesante conocer cual es la carga genética de los humanos. Nuestras células eucariotas (tienen un núcleo verdadero, que encierra el ADN) presentan un total de 46 cromosomas. Estos cromosomas, están duplicados, por lo que en el cariotipo se pueden observar 23 parejas de cromosomas. De estos, 22 pares se denominan autosomas y el otro par, son los denominados cromosomas sexuales, que dan origen al sexo genético del individuo.
La mitosis es un proceso de división celular en el que se obtienen dos células hijas, idénticas genéticamente, a la célula madre, que es la que se dividió.
Al igual que en la mitosis, la meiosis también comienza por la duplicación del material genético en la fase S del ciclo celular. En esta fase, se produce una reducción en el número cromosómico a la mitad. Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, quedando unidos por los quiasmas (zonas de intercambio de ADN). En esta fase, se pueden distinguir las dos cromátidas de cada homólogo, formando las tétradas. Los cromosomas homólogos se colocan en el centro del huso meiótico. De esta forma se origina la estrella madre. Se acorta el huso, ayudando a que se separen los cromosomas homólogos, por tanto, a cada polo de la célula, se dirige un cromosoma, reduciendo así su número. Se forma una membrana nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas y desaparece el huso. Además, se produce la citocinesis, división del citoplasma y sus orgánulos. Esta meiosis II, es muy semejante a la mitosis, ya que lo que se dividen son las cromátidas. Normalmente, se obtienen 4 células iguales, pero en el caso de la formación de los ovocitos, el reparto del citoplasma no se hace de forma equitativa, por lo que solo una de las células llega a desarrollarse totalmente.
Ciclo Celular y su Regulación
Sabemos que la división celular es un fenómeno que ocurre constantemente en nuestro organismo y que es fundamental, pero ¿cómo se regula? Igual que los seres vivos, las células tienen un ciclo de vida, el ciclo celular. Una célula se forma a partir de otra célula que se ha dividido, y más tarde esa nueva célula se puede dividir y dar lugar a dos células hijas.
Las fases del ciclo celular son:
- Fase G1: Durante esta fase crece y sintetiza determinados componentes como orgánulos, para estar preparada para la división al final del ciclo. Algunas células pasan a la fase G0, durante la cual están activas funcionalmente (realizan su función en el tejido en el que se encuentran) pero no se dividen.
- Fase S: Tiene lugar la duplicación del material genético de la célula.
- Fase G2: Como se acaba de duplicar el ADN, la célula presenta el doble de material genético. Durante esta fase la célula se prepara para la división celular, continúa creciendo y sintetizando orgánulos.
- Fase M: En esta fase tiene lugar la división celular.
Al conjunto de las fases mencionadas anteriormente se le denomina interfase.
Para el crecimiento y desarrollo, así como para la renovación de los tejidos las células se dividen por mitosis. Es decir, a partir de una célula madre se obtienen dos células hijas con el mismo contenido genético. Sin embargo, la generación de los gametos ocurre por meiosis.
Después de la fase M las células hijas pueden entrar en fase G1 y seguir preparándose para su división, o pueden entrar en la fase G0, en cuyo caso no se dividen. La fase G0 es como un estado de reposo en cuanto a la división, pero la célula sí que realiza sus funciones en el tejido en el que se encuentra.
Para entrar en el ciclo las células reciben señales externas, como nutrientes o factores de crecimiento. La progresión en el ciclo celular está regulada por la acción de las proteínas CDKs, que son quinasas dependientes de ciclinas, y por las ciclinas. Las quinasas son proteínas que se encargan de fosforilar determinados sustratos, como otras proteínas. El hecho de añadir un fosfato a una proteína puede activar o inhibir su función, por lo tanto la fosforilación es una forma de regular procesos celulares. Por otra parte, las ciclinas son un tipo de proteínas implicadas en el ciclo celular que se encargan de activar a las CDKs. Es decir, las CDKs son activas (fosforilan otras proteínas) cuando están unidas a una ciclina. Los niveles de cada ciclina van variando durante las distintas fases del ciclo celular, esto hace que en cada fase actúen unas quinasas distintas y por tanto la transcripción génica sea diferente.
Las ciclinas, CDKs y CKIs controlan el avance en el ciclo celular, pero la célula debe asegurarse de que todo está correctamente antes de activar las vías de señalización en las que participan dichas proteínas, para avanzar a la siguiente fase. Las condiciones internas y externas de la célula se comprueban en distintos puntos a lo largo del ciclo, llamados puntos de control.
Puntos de Control en el Ciclo Celular
Debido a la importancia de una correcta regulación del ciclo celular, hay varios puntos en los que se comprueba si se cumplen determinadas condiciones en la célula, y si no se cumplen el ciclo no avanza.
- Transición G1/S: En este punto de control se comprueba que la célula haya adquirido el tamaño suficiente para dividirse, que tenga suficientes nutrientes y que el ADN no esté dañado.
- Transición G2/M: Una vez la célula ha superado este punto de control y su genoma se ha duplicado, se comprueba si éste se ha replicado correctamente. Si es así, la célula entra en mitosis, y hay otro punto de control durante este proceso.
- Fase M: Para pasar de la metafase a la anafase se comprueba que los cromosomas estén bien alineados y unidos al huso acromático, para un reparto equitativo del genoma a las dos células hijas.
Es importante controlar que las células no se dividan más de la cuenta y que no se dividan si presentan un daño importante en el ADN, ya que una mala regulación del ciclo celular puede dar lugar a cáncer. Las células cancerosas escapan al control del ciclo celular, presentan determinadas mutaciones que les permiten dividirse continuamente.
Desarrollo Embrionario Temprano
El cigoto comienza su división celular al día siguiente de la fecundación. A las 30 horas pasa a ser un embrión de día 2 que ya cuenta con unas cuatro células. A las 30 horas de fecundación, el cigoto completa su primera división y origina dos blastómeras. Las siguientes divisiones mitóticas son asincrónicas, por lo que una blastómera es mayor que la otra, pudiendo haber en un momento dado tres de ellas. El estadio de 4 blastómeras tiene lugar a las 40-50 horas de la fecundación. Al inicio del cuarto día aparecen entre 12 y 16 blastómeras, formándose después la mórula.
Alrededor del quinto día de su desarrollo, se inicia el crecimiento de otro tipo de células llamadas blastómeros, que se multiplican y organizan en tres capas diferenciadas.
Cuando la mórula entra en el útero, comienza a introducirse líquido por la zona pelúcida hacia los espacios intercelulares de la masa celular interna, confluyendo y formando el blastocele. La zona pelúcida desaparece y el cigoto se llama blastocisto. Alrededor del sexto día de desarrollo, el blastocisto se acerca, a través de su polo embrionario, a la mucosa uterina y se inicia la implantación.
Fecundación In Vitro (FIV)
Cuando el proceso natural encuentra obstáculos, la ciencia ofrece soluciones. La unión del óvulo y el espermatozoide se realiza de forma controlada en el laboratorio, bajo la supervisión de embriólogos expertos.
El cultivo embrionario es uno de los puntos más importantes en un tratamiento de fecundación in vitro. En el laboratorio, el cultivo de los embriones se realiza en incubadores tipo Bench-Top (sobremesa) en los cuales los embriones de cada paciente se incuban por separado del resto, en cámaras muy pequeñas que permiten mantener todas las condiciones de cultivo muy estables, tal y como ocurriría de forma natural en el cuerpo de la mujer, controlando que la temperatura, humedad, pH, etc. no varíen. No todos los embriones superan todas las etapas.
El día de la extracción de los óvulos comienza el proceso de fecundación in vitro. Entre 16 y 18 horas después de inseminar el ovocito, valoramos si este ha fecundado adecuadamente. A partir de este momento comienza el proceso de división celular: el cigoto dará lugar a dos células que, a su vez, se dividirán y darán lugar a cuatro células, un proceso que ocurre en el segundo día de desarrollo embrionario. Las divisiones continúan sucesivamente y, ya en el tercer día de desarrollo, el embrión deberá contar con ocho células. La llegada a blastocisto es fundamental para que el embrión pueda implantar en el útero.
Para clasificar los embriones a transferir en la FIV, utilizamos parámetros morfológicos, ya que es el método más habitual, extendido y eficiente para valorar la calidad embrionaria. Los parámetros más utilizados son la valoración del número de células, simetría y fragmentación en distintas etapas del desarrollo hasta que se alcanza el estadio de blastocisto.
Además, se determinan distintos estadios de evolución acordes al patrón de desarrollo y a su morfología denominando a los blastocistos como temprano (BT), en expansión o cavitado (BC), expandido (BE), y en eclosión o en fase de hatching (BHi).
Tabla Resumen del Desarrollo Embrionario Temprano
| Día | Estadio | Descripción |
|---|---|---|
| Día 1 | Cigoto | Unión del óvulo y el espermatozoide, formación del cigoto. |
| Día 2 | Embrión de 2-4 células | El cigoto se divide en dos blastómeras, luego en cuatro. |
| Día 3 | Embrión de 8 células | Las células continúan dividiéndose. |
| Día 4 | Mórula | Aparecen entre 12 y 16 blastómeras. |
| Día 5 | Blastocisto | Formación del blastocele y diferenciación celular. |
| Día 6 | Implantación | El blastocisto se adhiere a la pared uterina. |
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