Ciencias - Biología. CICLO CELULAR. Hemos estudiado el interior de los componentes celulares, su organización en organelos, las diferentes funciones y formas de vida de las células, hemos visto como son capaces de producir energía desde moléculas complejas y producir moléculas complejas con gasto de energía. En esta última guía de la célula correspondiente al módulo común, comentaremos de qué manera la célula puede reproducirse y bajo qué condiciones lo hace. EL DNA Y SUS DIFERENTES ESTADOS EN EL NÚCLEO CELULAR. millonésima de metro? La respuesta a esa pregunta se fundamenta en una serie de proteínas pertenecientes a la familia de las histonas. Estas proteínas solo están presentes en las células eucariotas. Las histonas son unas proteínas con un carácter básico que son capaces de unirse al DNA y formar complejos de compactación llamados nucleosomas. Las proteínas integrantes de la familia de las histonas son las proteínas H1, H2A, H2B, H3 y H4. En el núcleo de eritrocitos de aves es posible encontrar la histona H5. Recordemos que el DNA o ADN es una biomolécula que se encuentra en todas las células en diferentes estados y compartimentos. Las células procariotas poseen un DNA circular pequeño en el citoplasma y las eucariotas poseen DNA lineal en el núcleo y DNA circular en las mitocondrias. El DNA es la molécula que almacena las instrucciones para el desarrollo y funcionamiento total de un individuo. Es quien controla la apariencia, fisiología e incluso las enfermedades que el mismo pudiese tener (relacionadas con la molécula). Es ahora donde comentaremos el comportamiento de esta molécula dentro del ciclo celular. La organización que tiene y la perfección con la que esta maquinaria logra copiarse perfectamente a la célula hija. Recordemos que las letras que componen las palabras dentro de este mensaje genético son los nucleótidos, que en un orden específico forman diferentes palabras conocidas como genes. Cómo la célula eucarionte puede guardar una molécula de dos metros de largo en un compartimento cuyo diámetro es inferior a una El nucleosoma es un complejo octamérico de histonas formadas por dos unidades de H2A, H2B, H3 y H4. El DNA es capaz de unirse a este octámero de proteínas y enrollarse 1,7 (aprox. 2) vueltas. Dichas vueltas son reforzadas por la presencia de la histona H1 o linker, la cual permite la unión a otra H1 de un nucleosoma adjunto. El DNA unido a histonas recibe el nombre de cromatina, la cual puede estar en un estado laxo (el collar de perlas, la estructura más laxa de la cromatina) o en un estado compacto. Los nucleosomas co-adjuntos representarían las perlas del collar. Avenida Baquedano Nº 860 Paine, Santiago. preupopularfc@gmail.com www.preufragmentoscomunes.wordpress.com 1
La cantidad de DNA que posee una célula se identifica con la letra c, siendo la condición normal de cualquier célula diploide 2c. El DNA presente en cloroplastos y mitocondrias, así como en bacterias es mucho más corto que el de las células eucariontes, estando organizado en un solo cromosoma circular (a diferencia de los eucariontes, que es lineal). LOS CROMOSOMAS. Existen tres tipos diferentes de cromatina según su grado de actividad transcripcional (expresión de genes): Eucromatina (activa; <2%), Heterocromatina constitutiva (rol estructural; 98%) y Heterocromatina facultativa (activada solo en casos especiales). Si la célula comienza su ingreso al ciclo celular, su material genético debe compactarse para poder ser ordenado y repartido correctamente. Para ello es necesario que el DNA se condense hasta llegar a una estructura conocida como cromosoma. Los cromosomas (<cromo> color, <soma> cuerpo: Cuerpo coloreado) son la estructura de máxima condensación del DNA. Solamente es posible observarlos en metafase. Su condición en la célula depende si coexisten en copias únicas de diferentes cromosomas (haploidía; n), en pares de dichas copias (diploidía; 2n) o en otras condiciones propias de los organismos vegetales (poliploidías). En los animales la condición normal (somática) de una célula es la diploidía (pares). La condición somática de un humano es 2n=46. Eso quiere decir que los humanos tenemos 46 cromosomas, organizados en 23 pares (diploidía). La carga genética normal de una célula diploide es 2n/2c La condición especial que poseen los gametos humanos es n=23. Eso quiere decir que tienen 23 cromosomas singulares. Es útil conocer la estructura de cada cromosoma, para comprender mejor su distribución en el ciclo celular. Los cromosomas que se observan en los ciclos celulares corresponden a cromosomas duplicados (debido a que antes de poder verlos, el DNA de toda la célula se replica para ser repartido equitativamente). 2
Las partes estructurales de un cromosoma corresponden a: Cromátidas hermanas: Son los brazos del cromosoma. Se llaman hermanas porque su DNA es copiado. Componen la mayoría del cromosoma. Centrómero: Región de heterocromatina constitutiva central del cromosoma. Cinetocoro: Disco proteico unido al centrómero del cromosoma. Es importante para la unión del huso mitótico. Satélites: Son regiones periféricas de las cromátidas. Telómeros: Son las regiones finales del DNA de cada cromátida. Se van desgastando con cada replicación. Eso causa en gran medida el envejecimiento. Para ello existen unas enzimas llamadas telomerasas, que elongan estos segmentos en cada replicación. EL CARIOTIPO HUMANO. Se mencionó que los humanos poseen 46 cromosomas, organizados en 23 pares. De ellos, 44 cromosomas (22 pares) constituyen los autosomas. Los dos restantes corresponden a los cromosomas sexuales X e Y, que pueden variar su condición para formar distintos sexos: XX para mujer y XY para hombre. El cariotipo humano corresponde a una imagen que permite observar los 23 pares cromosómicos que posee una persona. Esto es muy útil para poder diagnosticar enfermedades genéticas tempranamente. Ejemplo de cariotipo. También es importante destacar que existen diferentes tipos de cromosomas, dependiendo de la ubicación del centrómero. De esa manera, podemos observar los siguientes: 3
EL CICLO CELULAR MITÓTICO. La mitosis (<mitos> hebra, <osis> proceso: proceso con filamentos) se define como la división del núcleo celular para repartirse en dos copias celulares idénticas. El contexto fisiológico donde ocurre la mitosis es conocido como el ciclo celular mitótico, en el cual la célula se prepara bioquímicamente para replicarse. El ciclo celular mitótico está conformado por las siguientes etapas: Gap 1 (G 1 ): Consiste en una etapa de larga duración durante la cual la célula comienza a producir más ATP, proteínas, enzimas y RNAs para la futura célula hija. También en esta etapa ocurre la replicación de los organelos y comienza a cambiar la organización de los microtúbulos. S (Synthesis, Síntesis): En esta etapa ocurre la replicación del DNA. Esta etapa es crucial puesto que si ocurren fallas no detectadas en el proceso la célula hija dará origen a un cáncer. La condición del material genético pasa de 2n/2c a 2n/4c. Gap 2 (G 2 ): La célula vuelve a crecer y termina los preparativos para la replicación celular. Mitosis (M): Ocurre la replicación del núcleo. Citocinesis (citokinesis, citodiéresis): Luego de la replicación del núcleo, el citoplasma se divide y se forman dos células hijas. Las etapas G 1, S y G 2 conforman el periodo conocido como INTERFASE. La interfase es un ciclo que puede durar bastante tiempo, siendo la mitosis la etapa más corta de todo el ciclo celular. MITOSIS. La mitosis es la división del núcleo celular. Este proceso es sumamente prolijo, logrando repartir el material genético entre dos núcleos conservando la integridad del mismo. Sin embargo este proceso no está exento de errores, los cuales serán estudiados más adelante. Este proceso está dividido en cuatro etapas: Profase: La cromatina comienza a condensarse. La membrana nuclear (o carioteca) comienza a desaparecer. El huso mitótico (microtúbulos especializados para la mitosis) comienza a formarse desde los centriolos. Al final de esta etapa aparecen los cromosomas. Metafase: La membrana nuclear ya ha desaparecido y los cromosomas se encuentran visibles. Las fibras del huso mitótico se unen a cada cinetocoro de un cromosoma duplicado. Los cromosomas se 4
ordenan en el ecuador de la célula, alineados. Anafase: El huso mitótico se acorta, haciendo que las cromátidas hermanas se separen y queden ubicadas en polos celulares opuestos. El citoplasma comienza su división. Telofase: La membrana nuclear vuelve a formarse en torno a cada grupo de cromosomas. A su vez, estos comienzan a descondensarse. Otros organismos se replican por un proceso llamado amitosis (proceso sin filamentos). Este proceso es característico de organismos poco complejos, como procariotas y eucariotas inferiores. En este tipo de división no participa el huso mitótico (los filamentos), por lo cual en núcleo o nucleoide se replica y luego se reparte la información por distintos medios: Bipartición: Es el método más utilizado por procariotas y algunos eucariotas unicelulares. El material genético se replica y se reparte entre las dos células, ya sea con ayuda de los mesosomas (procariotas) o por constricción nuclear (que originará dos núcleos a partir de uno. Gemación: A partir de una célula se originan una o muchas células con su propio núcleo. Es característica de levaduras. Si bien la citocinesis comienza tempranamente durante la mitosis, concluye después de que los dos núcleos están perfectamente formados. La citocinesis es diferente en animales y en vegetales. En los primeros ocurre por constricción y en los vegetales el aparato de Golgi sintetiza una nueva pared celular que separa las dos células. El significado biológico y la importancia de la mitosis son: Genera dos células nuevas, idénticas genéticamente. Conserva la diploidía (la condición final de ambas células es 2n/2c). La mitosis es primordial en el proceso de crecimiento y desarrollo de metazoos y plantas, reparación de tejidos, recambio celular normal (piel, mucosas, etc.). Fallas en este proceso pueden generar cáncer. EL ORIGEN DEL CÁNCER Y CONTROL DEL CICLO CELULAR. El cáncer es una patología tisular originada por una falla en el ciclo celular mitótico. Si bien el cáncer puede tener múltiples agentes etiológicos (factores que causan la enfermedad), existen algunos predominantes: la activación de los protooncogenes y mutación en los genes supresores de tumores. Qué son los protooncogenes? Proto significa antes y Onco se relaciona con cáncer, por lo tanto 5
los protooncogenes son genes que al sufrir ciertas modificaciones se transforman en oncogenes; genes responsables del cáncer. Debemos explicar bien este punto para que se denote el concepto que no son dichos genes los que causan cáncer, sino la falla en esos genes conlleva a que la célula pierda la capacidad de detectarlo. Adentrándonos en la temática, los protooncogenes codifican unas proteínas conocidas comúnmente como los supresoras de tumores. El exponente más alto y conocido de estos guardianes es la proteína P53, conocida como el guardián del genoma. Pese a que no es tópico del módulo común, cuando un gen sufre una modificación, la proteína que codifica dicho gen también se modifica, alterando su función. Con lo anterior células del tumor podrían migrar por el torrente sanguíneo e invadir otros órganos, proceso llamado metástasis. Todo lo anterior descrito resalta la importancia de no exponer los tejidos a químicos peligrosos, como el benceno (presente en los cigarrillos), radiación UV excesiva y radiación ionizante. EL CICLO CELULAR MEIÓTICO. La meiosis es un proceso que solamente experimentan las células de la línea germinal (productoras de gametos; células sexuales). Es muy similar a la mitosis en cuanto a sus etapas, sin embargo tiene grandes diferencias. El punto de restricción R, en la etapa G 1 de la interfase es uno de los muchos puntos de restricción que posee el ciclo celular. Un punto de restricción es un momento del ciclo donde las proteínas a cargo de P53 revisan el estado del material genético, buscando fallas. Si se detectan errores, inducen un mecanismo de reparación y luego continúa el ciclo. Si la falla que se detecta no logra ser reparada, P53 induce a la célula a entrar en un proceso llamado apoptosis (muerte celular programada), con lo cual la célula es eliminada sin causar daño tisular. Si el gen supresor de tumores (gen codificante de P53) sufre una mutación, la P53 fabricada por la célula no funcionará. Al ser la cabeza de las proteínas supresoras de tumores, todas las que se encuentran bajo su efecto tampoco funcionaran. Ahora, si la célula sufriese una mutación grave en el DNA y posee una P53 afuncional, ese error no será detectado y la célula entrará en mitosis. Una vez que finalice la mitosis, la célula originada no tendrá las mismas funciones que antes, se transformará en un ente aislado del control tisular y comenzará a realizar ciclos celulares muy acelerados en comparación con las células normales. Esa masa celular sin control podría comenzar a llevar a cabo un proceso característico de los cánceres malignos llamado angiogenesis, en el cual el tumor maligno estimula a los vasos sanguíneos cercanos a fabricar ramas para irrigarlo. Los productos de la meiosis son cuatro células haploides (n/c), con una carga genética diferente a su célula de origen y entre ellas. Las etapas de la meiosis están repartidas en dos grandes procesos: La meiosis I y la meiosis II. Comenzaremos describiendo la primera de éstas: MEIOSIS I: La importancia de la meiosis I radica en la generación de variabilidad en las células en formación. Es en este punto donde los cromosomas dejan de ser homólogos. Antes de entrar a la meiosis I la célula progenitora (gonio) presenta una interfase idéntica a la presente en la mitosis. Las etapas del proceso son: 6
1. Profase I: Es la etapa más compleja de toda la meiosis. Está dividida en cinco subetapas: a. Leptoleno: La membrana nuclear comienza a desaparecer. Los cromosomas comienzan a condensarse y comienza el ensamblaje del complejo sinaptonémico (soporte de las tétradas). b. Zigoteno: Se forman las tétradas (o bivalentes), consistentes en la unión del cromosoma paterno y materno de cada par cromosómico, a través del complejo sinaptonémico. c. Paquiteno: Ocurre el crossing-over (entrecruzamiento). Los cromosomas homólogos intercambian segmentos entre ellos. Luego de esta etapa ya no existe un cromosoma paterno y materno, sino que solo son un cromosoma con cuatro cromátidas. A partir de ahora la célula se considera haploide. d. Diploteno: Los cromosomas ya son observables. Los lugares donde hubo recombinación permanecen unidos con unas marcas en forma de X llamadas quiasmas. e. Diacinesis: La membrana nuclear desaparece y los cromosomas ya están condensados. 2. Metafase I: Las tétradas se organizan en el ecuador de la célula gracias al huso meiótico (idéntico al huso mitótico). Es aquí donde ocurre otro evento de variabilidad genética: La permutación cromosómica. En este evento las tétradas son ordenadas aleatoriamente, de manera que durante la anafase, la distribución de las cromátidas paternas y maternas será al azar. 3. Anafase I: Las tétradas son separadas hacia polos opuestos de la célula. En cada polo celular se encontrará un grupo de 23 cromosomas replicados. genética n/2c. Pese a que ya se encuentra presente la haploidía necesaria para los gametos (n + n = 2n) la cantidad de DNA que hay es demasiada (2c + 2c = 4c), por lo que debe realizarse otra división para terminar el proceso. Antes que comience la meiosis II, existe un periodo llamado intercinesis, en el cual la célula se prepara para una nueva división SIN REPLICAR SU DNA. MEIOSIS II: La meiosis II es muy similar a una mitosis. Consta de las siguientes etapas: 1. Profase II: La membrana nuclear desaparece y los cromosomas duplicados comienzan a condensarse. El huso meiótico vuelve a reorganizarse. 2. Metafase II: Los cromosomas duplicados se organizan en la línea ecuatorial de la célula gracias al huso meiótico. 3. Anafase II: Las cromátidas de cada cromosoma son separadas hacia polos opuestos de la célula. 4. Telofase II: Se reorganiza la membrana nuclear en torno a cada grupo de cromosomas. Ocurrida otra citocinesis, la meiosis está completa: Se han formado cuatro células con una carga genética n/c. Su juego cromosómico lleva uno de cada tipo (no hay pares). De esa manera, cuando se unan los gametos se restituirá la diploidía (n/c + n/c = 2n/2c). La meiosis es muy importante evolutivamente como el proceso desarrollado para generar variabilidad intraespecie. Este proceso asegura que ninguna descendencia será igual a sus progenitores, pudiendo adquirir nuevas características. 4. Telofase I: Los núcleos se reorganizan en torno a este grupo de cromosomas. Ocurrida la citocinesis propia del proceso, la meiosis I concluye con dos células con carga 7
La importancia biológica de la meiosis es: Generación de variabilidad intraespecie (crossing-over y la permutación cromosómica). Ocurre solo en células de la línea germinal. Generación de gametos haploides, capaces de conservar el número cromosómico de la especie. Alta efectividad de producción (se generan cuatro células a partir de una). 8