Capítulo 1 CICLO CELULAR INTRODUCCIÓN Todos los organismos superiores que se reproducen por vía sexual, se originan gracias a la fusión de dos células especializadas, las gametas (una de origen materno y otra de origen paterno), que poseen un número n (haploide) de cromosomas, los cuales a su vez son los portadores de la información genética. La célula producto de dicha fusión (cigota) tiene un número 2n (diploide) de cromosomas, que contiene toda la información genética necesaria para el desarrollo del nuevo individuo. A partir de la cigota, por sucesivas divisiones celulares (mitosis y citocinesis), se obtiene un individuo cuyas células mantienen el mismo patrimonio hereditario, es decir que este tipo de división celular garantiza que el número de cromosomas permanezca inalterado. El proceso de división que se verifica cuando un individuo diploide forma sus gametas se denomina meiosis; mediante el mismo se originan células con número cromosómico n, las cuales al fusionarse (fecundación), reconstituyen el número diploide característico de la especie. Para que una célula pueda iniciar una división mitótica o meiótica debe pasar por un período preparativo denominado interfase, dentro del cual pueden identificarse 3 fases : G1, S y G2 (figura 1.1). G1 es el tiempo entre el final de la división celular precedente y el comienzo de la síntesis del ADN (contenido 2C), S es el período de síntesis de ADN (contenido 2C a 4C), y G2 el período entre el final de la síntesis y el comienzo de la siguiente división celular (contenido 4C). Durante el período de interfase el complejo ADN - proteínas histónicas se encuentra disperso y despiralizado y se denomina cromatina. La cromatina se observa como una sucesión de subunidades o nucleosomas de 100 Å de diámetro, que se dobla en una fibra más gruesa, denominada solenoide, de alrededor de 300 Å de diámetro. En la transición de la fibra de cromatina completamente estirada al estado extremadamente condensado de cromosoma metafásico debe alcanzarse una tasa de empaquetamiento (relación longitud del ADN : longitud de la estructura que lo contiene) de más de 5000. Hasta el momento se ha podido justificar una tasa de 50 aunque obviamente la fibra debe plegarse aún más durante la formación del cromosoma. Los términos heterocromatina y eucromatina se utilizan para describir la cromatina que permanece condensada y despiralizada, respectivamente, durante la interfase. La heterocromatina se considera inactiva desde el punto de vista transcripcional mientras que replica más tarde que la eucromatina durante la fase S.
Figura 1.1 - Ciclo celular. Fuente : Klug y Cummings (1999). La duración del ciclo varía mucho de un tipo celular a otro; las mitosis en general duran menos que las meiosis. Cuanto mayor es el contenido nuclear de ADN, más largo es el ciclo. Los períodos S, G 2 y la mitosis son relativamente constantes en diversas células de un organismo, siendo el más variable el período G 1. Cuando una célula deja de dividirse, se detiene en un punto específico del G 1 y sale del ciclo en el período llamado G 0. La interfase (figura 1.2 a) que algunas veces se ha llamado estado de reposo, es una fase activa en la cual se llevan a cabo la replicación, transcripción y traducción de la información genética. El conjunto de estos procesos que permiten el flujo de la información genética se denomina Dogma Central de la Biología Molecular. Replicación de la molécula de ADN : está demostrado que la síntesis se lleva a cabo solamente durante una parte de la interfase, que es el período S. Se cumple íntegramente en el núcleo celular. Transcripción de la información contenida en el ADN a moléculas de ARN (mensajero, ribosómico y transfer) : en los eucariotes se lleva a cabo en el núcleo celular fundamentalmente durante la interfase. Los ARN mensajeros (ARNm) producto de la transcripción deben pasar al citoplasma para ser decodificados. La transcripción puede invertirse, es decir, cuando el ARN es el material hereditario, es copiado en ADN (por ej. en retrovirus). Traducción : consiste en la síntesis de cadenas polipeptídicas, regida por la información genética contenida en los ARNm. Esta operación tiene lugar en el citoplasma y comprende una serie de pasos en los cuales los ribosomas actúan como soporte. Mitosis Por convención, se considera que la mitosis comprende cuatro fases : profase, metafase, anafase y telofase. De ellas la profase (contenido 4C) suele ser la de mayor duración (60%). Durante la misma, los cromosomas aparecen como delgados filamentos que se condensan por enrollamiento y plegamiento (figura 1.2 b). Cada uno de ellos se manifiesta en dos cromátidas idénticas unidas entre sí a nivel del centrómero. El nucleolo desaparece al
finalizar la profase. El huso se forma en el citoplasma. Las células animales forman el huso entre los centríolos (ásteres); las células vegetales, en cambio, carecen de ellos (mitosis anastral). Al comenzar la metafase (contenido 4C), la envoltura nuclear se desintegra y el nucleoplasma se mezcla con el citoplasma. Los cromosomas se unen a los microtúbulos del huso y se orientan en la placa ecuatorial (figura 1.2 c). Durante la anafase (contenido 4C a 2C), las cromátidas hermanas se separan (cada cromátida es ahora un cromosoma independiente) y se desplazan hacia polos opuestos (figura 1.2 d). En la telofase (contenido 2C), los cromosomas se descondensan, la envoltura nuclear es nuevamente formada a partir del retículo endoplásmico y el nucléolo reaparece (figura 1.2 e). La citocinesis consiste en la partición del citoplasma, conducente a la formación de dos células hijas (figura 1.2 f). Figura 1.2 Mitosis. Como consecuencia de la mitosis cada célula recibe una copia exacta de los cromosomas de la célula madre y, como consecuencia de la citocinesis, aproximadamente la mitad del citoplasma y de los orgánulos. Desde el punto de vista genético, se asegura la conservación del patrimonio nuclear en el proceso de formación del individuo adulto a partir de una célula inicial o cigoto,
lo que implica mantener constante el número de cromosomas, es decir, la continuidad genética, que a su vez garantiza aquélla de índole estructural y funcional. Meiosis El proceso meiótico es más complejo que el mitótico. Comprende dos divisiones nucleares sucesivas (meiosis I y meiosis II). En la primera el número de cromosomas se reduce a la mitad (reduccional), mientras que en la segunda los cromosomas se dividen como en una mitosis (ecuacional). La reducción a la mitad del número de cromosomas se debe al hecho de que a una duplicación de los cromosomas (en interfase) le siguen dos divisiones nucleares. De este modo de una célula diploide (2n) se obtienen cuatro haploides (con n cromosomas), que contienen un cromosoma de cada uno de los pares de homólogos. Cada una de las dos divisiones meióticas comprende a su vez fases como en la mitosis. Meiosis I a) Profase I (contenido 4C) : dura más que la profase mitótica y se divide en cinco subfases : leptotena o leptonema, cigotena o cigonema, paquitena o paquinema, diplotena o diplonema y diacinesis. En leptotena o leptonema los cromosomas comienzan a distinguirse; si bien cada uno de ellos parece constituído por un filamento, en realidad lo está por dos cromátidas (figura 1.3 a). Durante cigotena o cigonema se produce el apareamiento (sinapsis) entre homólogos (figura 1.3 b). El apareamiento implica la formación del complejo sinaptinémico o sinaptonémico (CS). Durante paquitena o paquinema se completa el apareamiento y los cromosomas se acortan. Las cromátidas homólogas (no hermanas) intercambian segmentos de ADN (crossing-over) (figura 1.3 c). El CS parece estabilizar el apareamiento permitiendo el crossing-over : Durante la diplotena o diplonema los cromosomas apareados comienzan a separarse aunque quedan unidos por los puntos de recombinación o crossing-over (quiasmas) (figura 1.3 d). El CS desaparece. Durante la diacinesis los cromosomas continúan espiralizándose y acortándose de manera que los bivalentes (par de cromosomas homólogos) van perdiendo su forma alargada, los quiasmas se van terminalizando y los centrómeros homólogos inician la coorientación (figura 1.3 e); es decir, tienden a situarse a ambos lados de la placa ecuatorial. Al final de la diacinesis comienza la desaparición del nucleolo y la membrana nuclear.
b) Metafase I (contenido 4C) : los bivalentes alcanzan su máximo grado de contracción. Los centrómeros (uno materno y otro paterno) quedan perfectamente orientados a ambos lados de la placa ecuatorial, lo hacen al azar y no existe correlación entre la coorientación de un bivalente y la de otro cualquiera de la misma célula. Luego se insertan en las fibras del huso (figura 1.3 f). c) Anafase I (contenido 4C a 2C) : los centrómeros comienzan a separarse atraídos por los polos y cada uno arrastra en su movimiento a las dos cromátidas que une (figura 1.3 g). Es decir, migran cromosomas homólogos y no cromátidas hermanas como en la mitosis. d) Telofase I (contenido 2C) : termina la emigración de los cromosomas agrupándose en los respectivos polos celulares (figura 1.3 h). Los cromosomas se despiralizan y reaparecen el nucleolo y la membrana nuclear. Se inicia la citocinesis dando lugar a dos células hijas que constituyen una díada. En organismos vegetales las células que constituyen la díada permanecen unidas, mientras que en los animales no necesariamente. e) Intercinesis : puede ser variable en su duración; cuando falta por completo tras la telofase I se inicia sin interrupción la segunda división meiótica. En esta etapa no se produce nunca síntesis de ADN. Meiosis II La segunda división meiótica es esencialmente una mitosis, con profase II (contenido 2C) (figura 1.3 i), metafase II (contenido 2C) (figura 1.3 j), anafase II (contenido 2C a 1C) (figura 1.3 k) y telofase II (contenido 1C), que se suceden para originar 4 células gaméticas (figura 1.3 l). Sin embargo varias características la distinguen de una mitosis propiamente dicha. Número cromosómico en las células hijas Interfase Cromátidas hermanas configuración metafásica Cromátidas hermanas información genética finalizada la profase I Segunda división meiótica n S ausente divergente idéntica / distinta Mitosis 2n S presente paralela idéntica
Figura 1.3 Meiosis.
OBJETIVOS Interpretar el ciclo celular a través de las etapas que lo componen y de la variación del contenido de ADN a lo largo de ellas. Asociar a cada etapa del ciclo celular los distintos procesos del Dogma Central de la Biología Molecular. Analizar la importancia, desde el punto de vista genético, de la coorientación al azar de los cromosomas paternos y maternos. Analizar la importancia de la recombinación génica por crossing-over. A pensar!! SITUACIONES PROBLEMÁTICAS 1) En el siguiente eje de coordenadas describa cómo varía el contenido de ADN (C) a lo largo de un ciclo celular que culmina en una mitosis. 4 3 ADN (C) 2 1 G 1 S G 2 P M A T Nota : P (profase), M (metafase), A (anafase) y T (telofase). 2) En el siguiente eje de coordenadas describa cómo varía el contenido de ADN (C) a lo largo de un ciclo de división celular que culmina en meiosis. 4 3 ADN 2 (C) 1 G 1 S G 2 PI MI AI TI PII MII AII TII Meiosis I Meiosis II Nota : P (profase), M (metafase), A (anafase) y T (telofase).
3) En relación a los procesos de replicación, transcripción y traducción, indique en la siguiente tabla : a) Sitio celular en el cual ocurre cada uno de ellos. b) Producto que se obtiene en cada caso. c) Etapas del ciclo celular en las cuales tienen lugar. Proceso Replicación Transcripción Traducción Sitio Producto G 1 S G 2 Mitosis 4) Considerando la distribución del material hereditario materno y paterno de un individuo durante la metafase I meiótica, complete los esquemas A y B señalando las diferencias que observa en cuanto al producto obtenido en cada caso. Caso A Cromosomas maternos Cromosomas paternos Caso B Metafase I Anafase I Metafase II Anafase II Telofase II Metafase I Anafase I Metafase II Anafase II Telofase II
a) Qué diferencias observa en cada caso? b) Cómo se denomina el fenómeno responsable de tales diferencias? c) Cuál es su importancia desde el punto de vista genético? 5) Complete el siguiente esquema correspondiente a una meiosis considerando la ocurrencia de un solo cross-over entre el par de cromosomas homólogos. Cigonema Diacinesis Telofase I Telofase II Profase I Cuál es la importancia del fenómeno descripto? EXTRAIGA SUS CONCLUSIONES RELACIONANDO LOS SIGUIENTES CONCEPTOS FUNDAMENTALES Etapas del ciclo celular. Tipo de células en las que ocurre la mitosis y la meiosis, respectivamente. Apareamiento cromosómico y cross over. Separación del material cromosómico en anafase. Número de células hijas en mitosis y meiosis, y sus respectivos contenidos cromosómicos.