Unidad 7. EL CICLO CELULAR

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1 Unidad 7. EL CICLO CELULAR Documento elaborado con fines docentes por: GUSTAVO LOZANO CASABIANCA Biólogo M. Sc. Profesor asociado Escuela de Nutrición y Dietética Universidad de Antioquia YOENIS GARCÍA HERRERA Biólogo M. Sc. Profesor de cátedra Escuela de Nutrición y Dietética Universidad de Antioquia SEBASTIAN GARCÍA RESTREPO Estudiante Instituto de Biología Universidad de Antioquia CLARA I. ORTIZ RAMIREZ Bióloga Estudiante de maestría en Biología Universidad de Antioquia El ciclo celular de la mayoría de las células, procariotas y eucariotas, consiste en cuatro procesos coordinados: crecimiento celular, replicación del ADN, distribución de los cromosomas duplicados a las células hijas y división celular (1). Aunque el crecimiento celular suele ser un proceso continuo el ADN se sintetiza solo durante una fase del ciclo celular y los cromosomas replicados se distribuyen a los núcleos hijos mediante una compleja serie de procesos que preceden a la división citoplasmática. La progresión a través de estas etapas del ciclo celular está controlada mediante un sistema regulador conservado, que no solo coordina los diferentes procesos del ciclo sino que también los acopla a señales extracelulares que controlan la proliferación celular (1). Fases del ciclo celular El ciclo celular, está constituido por una serie ordenada de acontecimientos macromoleculares que llevan a la división celular y a la producción de dos células

2 hijas, cada una de las cuales contiene cromosomas idénticos a los de la célula madre (2). Un ciclo celular eucariota típico de células humanas dura aproximadamente 24 horas y consiste en dos etapas fundamentales: Mitosis o Fase Mitótica e Interfase (Ilustración 40) (1). La mitosis, división del núcleo, corresponde a la separación de los cromosomas hijos y termina frecuentemente en la división citoplasmática o citocinesis, mientras que durante la interfase los cromosomas se descondensan y se duplican en el núcleo (1). Además durante la interfase es cuando ocurre el crecimiento celular, lo que deja a la célula preparada para la división (1). Ilustración 40. Ciclo celular Se ilustran las etapas del ciclo celular en una célula eucariota La célula crece a un ritmo continuado durante la interfase, y la mayoría de las células duplican su tamaño entre una mitosis y la siguiente. En cambio el ADN solo se sintetiza durante una parte de la interfase. Así, la duración de la síntesis del ADN divide el ciclo de las células eucariotas en cuatro fases diferenciadas. La fase M del

3 ciclo que corresponde a la mitosis, a la cual le suele seguir la citocinesis. Posteriormente sigue la fase G1 que corresponde al intervalo entre la mitosis y el comienzo de la replicación del ADN. Durante G1 la célula es metabólicamente activa y está creciendo pero no se replica su ADN. Seguidamente tiene lugar la fase S (síntesis), durante la que se produce la replicación del ADN. Tras finalizar la síntesis se produce la fase G2 durante la que prosigue el crecimiento de la célula y en la que se sintetizan proteínas en preparación para la mitosis (1). La duración de estas fases del ciclo celular varía considerablemente según los distintos tipos de células. Para una célula de proliferación rápida humana típica, la duración total del ciclo celular es de 24 horas, la fase G1 dura unas 11 horas, la fase S unas 8 horas, G2 cerca de 4 horas y M una hora aproximadamente. Sin embargo, otros tipos celulares pueden dividirse las rápidamente. Las levaduras en gemación, por ejemplo, atraviesan cuatro fases del ciclo celular solo en unos 90 minutos; incluso en células embrionarias tempranas tras la fecundación del ovulo tienen lugar ciclos celulares más cortos (30 minutos o menos), pero de forma contraria existen células con replicación ocasional o nula en tejidos diferenciados y solo se dividen cuando es necesario reemplazar la perdida de las células debido a una lesión o muerte (1). Interfase La interfase es la parte del ciclo celular que transcurre entre el fin de una fase M y la siguiente fase M. En general las células eucarióticas pasan la mayor parte de su tiempo en esta fase (2). La interfase misma contiene tres subfases: Primera fase de intervalo o de crecimiento 1 (G1), la síntesis de ADN (S) y la Segunda fase de intervalo o de crecimiento 2 (G2) (2). Una célula hija recién formada entra en la fase G1 de la interfase, durante la cual adquiere o sintetiza los materiales necesarios para la división celular. Si la célula crece hasta alcanzar el tamaño adecuado y recibe las señales necesarias, entonces replica su ADN (2). Este periodo se denomina fase S porque en él se lleva a cabo la síntesis del ADN. Después de la fase S, la célula completa su crecimiento en G2 antes de dejar la interfase (2). La fase G1 es un periodo importante en la vida de la célula, durante esta fase, la célula es sensible a las señales internas y externas que le ayudan a decidir si se divide o no (2).

4 Según el tipo de célula y en función de las señales externas, una célula también puede abandonar el ciclo celular durante G1 y entrar en una fase conocida como G0. En esta fase las células están vivas y metabólicamente activas, pero no replican su ADN ni se dividen (2), en esta fase se encuentran todas las células diferenciadas del organismo como las células del miocardio, las neuronas, los hepatocitos, entre otras. Mitosis La división celular mitótica tiene dos partes principales: la mitosis (división nuclear) y la citocinesis (división citoplasmática) (2). (Ilustración 41) Ilustración 41. Fases de la Mitosis

5 La mitosis produce dos núcleos, cada uno con una copia de todos los cromosomas que estaban presentes en el núcleo original (2). Durante la mitosis los cromosomas duplicados se condensan y son visibles en forma de hilos. En la mayoría de los casos la célula se divide por mitosis para formar dos células hijas cada una con un núcleo y aproximadamente la mitad del citoplasma. Este proceso división citoplasmática se llama citocinesis, este proceso proporciona a las dos células hijas todas las organelas, nutrimentos, enzimas y demás moléculas que necesitan para continuar vivas (2). Aunque por lo general la mitosis y la citocinesis están acopladas pueden llevarse a cabo de forma independiente ciertas células entre ellas células tumorales, pueden experimentar mitosis sin citocinesis, este proceso produce células individuales con muchos núcleos (2). La mitosis se divide didácticamente en cuatro fases, aquí se tiene en cuenta el aspecto y el comportamiento de los cromosomas: Profase, Metafase, Anafase y Telofase (2). Como en casi todos los procesos biológicos estos no son acontecimientos aislados, sino que forman un continuo en el que cada fase se funde con la siguiente (2). Profase Durante la profase tienen lugar tres acontecimientos principales: (i) los cromosomas duplicados se condensan; (ii) se forman los microtúbulos del huso mitótico y (iii) los cromosomas se unen al huso (2). Recuerde que durante la fase S de la interfase los cromosomas ya se duplicaron pero aún permanecen unidos por una estructura denominada centrómero. Por lo tanto al empezar la mitosis cada cromosoma ya consta de dos filamentos denominados cromátidas hermanas (2). Durante la profase los cromosomas se condensan y desaparece el nucléolo (un lugar del núcleo donde se sintetizan los ribosomas) (2). Luego se comienzan a ensamblar los microtúbulos del huso. En las células animales (pero no en las vegetales) los microtúbulos del huso se originan en una región en la que hay un par de centriolos que contienen microtúbulos la cual se le denomina centrosoma (2). Durante la interfase se forma un nuevo par de centriolos cerca del par ya existente, luego (cada par de centriolos) migran hacia polos opuestos del núcleo (2). Cada par de centriolos actúa como punto central desde el que irradian los microtúbulos, estos puntos se conocen como polos del huso (2).

6 Alternativamente en las células vegetales los microtúbulos del huso se sintetizan sin la presencia de centriolos desde regiones denominadas centros de organización microtubular. Conforme los microtúbulos del huso se sintetizan, la envoltura nuclear se desintegra y libera los cromosomas duplicados, lo que permite que estos interactúen con los microtúbulos por medio del cinetocoro (2). En el centrómero, cada cromátida hermana tiene un cinetocoro que sirve como punto de fijación de los extremos de los microtúbulos del huso (2). De este modo, uno de los cinetocoro del cromosoma duplicado queda atado de un polo del huso y el otro al otro polo del huso. Metafase Al término de la profase, los dos cinetocoros de cada cromosoma duplicado están conectados a microtúbulos del huso provenientes de polos opuestos, aquí comienza la metafase, donde los cinetocoros, que regulan la longitud de los microtúbulos del huso halan y ubican a cada cromosoma duplicado en el centro de la célula, con un cinetocoro en cada polo (2). Anafase Al comenzar anafase, las cromátidas hermanas se separan y migran hacia cada polo de la célula, atraídos por los microtúbulos (2). Puesto que las cromátidas hermanas son copias idénticas de los cromosomas originales, los dos grupos de cromosomas que se forman en polos opuestos de la célula contienen una copia de cada uno de los cromosomas presentes en la célula originan (2). Telofase Cuando los cromosomas han alcanzado los polos, ha comenzado la telofase. Los micro túbulos del huso se desintegran y se forma la envoltura nuclear entorno a cada grupo de cromosomas (2). Los cromosomas regresan a su estado desplegado y los nucléolos aparecen nuevamente. En la mayoría de las células, la citocinesis se lleva a cabo desde la telofase, donde cada núcleo hijo se separa en una célula individual y las células nuevamente entran en interfase (2). Meiosis El ciclo de las células somáticas (aquellas que forman el conjunto de tejidos y órganos de un ser vivo, excepto células germinales) posee un mecanismo de

7 división celular denominado mitosis, que da lugar a dos células hijas con una dotación genética idéntica a la parental (1). Sin embargo la meiosis es un tipo de división celular especializado que reduce el número de cromosomas a la mitad (1). En las plantas y en los animales las células somáticas realizan mitosis para proliferar y en sus células germinales tiene lugar la meiosis para producir gametos (ovulo y espermatozoide) (1). Proceso de la meiosis A diferencia de la mitosis la meiosis supone la división de una célula parental diploide en una progenie haploide, de tal manera que cada célula hija contiene solo un miembro del par de cromosomas homólogos presentes en el progenitor diploide (1). Esta reducción en el número de cromosomas, se realiza mediante dos rondas consecutivas de división nuclear y celular: Meiosis I y Meiosis II, que ocurren tras una única ronda de replicación del ADN (Ilustración 42) (1). Al igual que la mitosis, la meiosis I comienza posterior a la fase G2 y la fase S donde los cromosomas parentales se replican para producir cromátidas hermanas idénticas (1). Sin embargo el patrón de segregación de los cromosomas en la meiosis es diferente al de la mitosis (1). Durante la Meiosis I, los cromosomas homólogos primero se emparejan unos con otros y luego se segregan a células hijas diferentes; no obstante las cromátidas hermanas permanecen unidas, por lo que tras la meiosis I se obtienen células hijas que contienen un único miembro de cada par cromosómico formado por dos cromátidas hermanas (1). Tras la Meiosis I se produce la Meiosis II que se asemeja a la mitosis en que las cromátidas hermanas se separan y segregan a diferentes células hijas. Por tanto la meiosis II da como resultado cuatro células hijas haploides, cada una de las cuales contiene una copia de cada cromosoma (1). El apareamiento de los cromosomas homólogos tras la replicación del ADN no solo es un proceso clave que subyace a la segregación de los cromosomas en la meiosis, sino que también permite la recombinación entre los cromosomas de origen paterno y materno (1). Este emparejamiento crucial de los cromosomas homólogos tiene lugar durante una larga profase en la meiosis I (1).

8 Ilustración 42. Meiosis En la parte (a-d) superior se ilustra un proceso típico de división nuclear, tal como tiene lugar en las células germinales tempranas o en las células del cuerpo. En la fila inferior la separación de los cromosomas que se han emparejado. Este tipo de separación se lleva a cabo en una de las dos divisiones de reducción.

9 Ilustración 43. Recombinación durante Meiosis Mecanismos de regulación del ciclo celular El ciclo celular de todos los eucariotas está controlado por un conjunto de proteínas quinasas, conservado en los distintos organismos, que son los responsables en inducir el paso de un estado del ciclo celular a otro (1). La progresión del ciclo celular se regula por señales extracelulares del medio, así como por señales internas que supervisan y coordinan los diversos procesos que tienen lugar durante las diferentes fases del ciclo celular (1). Uno de los principales puntos de regulación se encuentra en la fase G1 y controla el paso de G1 a S; este punto de regulación se definió por primera vez en estudios de la levadura (Saccharomyces cerevisiasiae) donde se definió como START (1). Si las células progresan a través de fases del ciclo celular antes de que la anterior se complete de manera adecuada, puede producirse un daño genético catastrófico (2) para reducir los errores durante los acontecimientos del ciclo celular, progreso de una célula a través del ciclo se supervisa en varios puntos de control (2). Los mecanismos de control que operan en ellos aseguran que los cromosomas estén intactos y que cada estadío del ciclo celular se complete antes de comenzar el siguiente (2). Otros puntos de control son:

10 El mecanismo de punto de control de ADN no replicado involucra el reconocimiento del ADN no replicado y la inhibición de la activación del factor promotor de maduración (MPF) el cual es un complejo proteico que promueve el inicio de la mitosis (2). El punto de control del huso impide la entrada en anafase aun cuando un solo cinetocoro de una cromátida no está asociado de forma adecuada con los microtúbulos del huso (2). El punto de control de ADN dañado bloquea la progresión a través del ciclo celular hasta que el daño se repara. El daño del ADN puede ser resultado de la acción de agentes químicos y de la irradiación con luz ultravioleta (UV) o rayos γ. La detección en G1 y S impide que se copien bases dañadas, que perpetuarían las mutaciones en el genoma (2). Ilustración 44. Puntos de control del ciclo celular Los escalones representan sucesos secuenciales.

11 REFERENCIAS 1. Cooper G, Hausman R. La célula. 5a ed. Madrid: Marbá Libros, S.L; Audesirk T. Biología la vida en la tierra. 6a ed. México: Pearson Educación; 2003.