Ciclo Celular
Fase G1
- Comienza al terminar la citocinesis.
- La célula madura y se diferencia (se especializa), aumentando progresivamente su volumen e inactivándose parte de sus genes por heterocromatinización.
- La actividad celular es normal: transcripción del ADN y biosíntesis de proteínas. que permiten a la célula realizar sus funciones normales.
Fase G0
- La célula entra en fase de quiescencia, no aumenta su volumen y no avanza hacia la división.
- Suele ser permanente: neuronas, células del músculo esquelético.
- En otros casos (hepatocitos, fibroblastos), y en función de las necesidades del órgano al que pertenecen, algunas de las células que entran en lase G0 pueden retornar al ciclo celular.
- No suele darse en células madre (meristemáticas) o con alta tasa de proliferación (epiteliales).
Fase S
- Duplicación del ADN: la célula pasa de 2n cromosomas simples a 2n cromosomas dobles, aún desorganizados. Cada par de moléculas idénticas de ADN permanece unido por el futuro centrómero del cromosoma metafásico; cada molécula del par será una cromátida.
- Ejemplo para n=3: 1, 1', 2, 2', 3, 3' → 1-1, 1'-1', 2-2, 2'-2', 3-3, 3'-3'.
- Duplicación de las histonas.
- Se inicia ante la presencia de algún factor químico o físico, endógeno o exógeno:
- El volumen celular crece por encima de una determinada ratio célula/núcleo propia de cada tipo celular;
- Descenso de la presión que ejercen las células circundantes;
- Presencia de hormonas (p.e. la somatotropina), factores de crecimiento u otras citoquinas, detectados por receptores de superficie.
Fase G2
- La célula continúa preparándose para la fase de división:
- Duplicación del Centro Organizador de Microtúbulos (el centrosoma, en las células animales).
- Reorganización del citoesqueleto por despolimerización masiva de microtúbulos.
Fase M
Es la fase de división celular, que puede ser por mitosis o por meiosis, y que se explica más abajo.
Apoptosis
Es un proceso por el que la propia célula organiza su autodestrucción por autofagia (mediante lisosomas secundarios de autodigestión = autofagolisosomas).
De forma general, la apoptosis sucede para liberar a los tejidos de células viejas, con el ADN potencialmente dañado por su propia actividad normal (p.e. por residuos metabólicos como los radicales libres), y por tanto con riesgo alto de...
- malfuncionamiento celular y, por tanto, malfuncionamiento del órgano al que pertenecen;
- cáncer (causado por daños en los genes que, en condiciones normales, impiden que una célula se divida descontroladamente).
El principal desencadenante de la apoptosis es el acortamiento de los telómeros de los cromosomas tras cierto número de mitosis; este acortamiento de los telómeros, inevitable cada vez que se pasa por la gase S del ciclo celular, actúa como un reloj que permite a las células saber cuándo se han hecho suficientemente viejas.
Por ello la apoptosis no tiene lugar en células con la enzima telomerasa activa (células madre embionarias o adultas y células tumorales) ya que esta repara el acortamiento de los telómeros.
La apoptosis se da también en otras circunstancias:
- para eliminar estructuras embrionarias que no han de estar presentes en el adulto (tales como las membranas interdigitales o la cola en los embriones humanos);
- para eliminar el protoplasma de células que han de estar vacías (xilema, esclerénquima, súber); etc.
Control del Ciclo Celular
En los organismos pluricelulares cada célula debe someter su actividad a las necesidades del conjunto del organismo al que pertenece. Eso incuye el hecho de que las células no deben reproducirse a menos que haya necesidad de ello en el órgano del que forman parte. Para ello, las células de los organismos pluricelulares han desarrollado mecanismos de autocontrol de la división celular, tales como...
- La inhibición por contacto, por el que las células no se dividen si reciben señales de presión excesiva de las células vecinas;
- La inhibición de la división celular cuando la ratio volumen celular / volumen del núcleo no alcanza un determinado umbral;
- La inhibición de la división celular en ausencia de señales químicas percibidas a través de receptores de membrana; estas pueden ser, por ejemplo:
- citoquinas liberadas por otra célula cuando sufre daños y muere;
- factores de crecimiento u hormonas liberados por otras partes del organismo cuando se detectan ciertos estímulos (en una planta: luz, ausencia de luz, humedad...).
A nivel bioquímico, los mecanismos anteriores se sustancian en la generación o no de ciclinas, que son las proteínas que regulan la progresión a lo largo de las sucesivas fases del ciclo celular. Las ciclinas funcionan uniéndose a quinasas, a las que activan. Y las quinasas fosforilan a otras proteínas a las que, según el caso, activan o inhiben. Son estas últimas las responsables de que se progrese a la siguiente fase del ciclo celular.
Cáncer
Cuando los mecanismos de autocontrol de la división celular fallan, se procude el cáncer. El cáncer es pues un proceso de división descontrolada de una línea celular que acaba generando un tumor, que lleva al malfuncionamiento del órgano afectado, y que, de ser maligno, puede incluso diseminar células a otras partes del organismo a través de los sistemas circulatorios (metástasis), lo que a su vez dará lugar a la formación de nuevos tumores en el cuerpo.
El cáncer es una enfermedad de origen genético, como lo demuestra...
- el carácter cancerígeno de agentes mutágenos del ADN conocidos (radiación u.v., alquitranes del humo del tabaco, asbesto...);
- la frecuente presencia de alteraciones cromosómicas en las células tumorales.
En la transformación de una célula sana en tumoral pueden intervenir las siguientes clases de alteraciones genéticas:
- Mutaciones en los protooncogenes, que son los que codifican las proteínas implicadas en la regulación del ciclo celular (como las ciclinas o las quinasas dependientes de ciclinas). Su alteración por mutágenos los transforma en oncogenes, que o bien son incapaces de controlar el ciclo celular, lo que hace que la célula avance a lo largo de este sin freno alguno y se divida sin control, o bien estimulan directamente la división celular.
- Mutaciones en los genes supresores de tumores, como el gen p53, cuyas formas anormales están presentes en la mitad de tumores humanos. Es un gen que sirve para prevenir la proliferación descontrolada de las células al desencadenar en ellas la apoptosis o muerte celular. Esto lo hace activando a muchos otros genes que codifican para unas toxinas que dañan el funcionamiento de las mitocondrias y las destruyen.
- Mutaciones en los genes implicados en la corrección de errores en el ADN. Su mutación evitaría la reparación de las mutaciones anteriores, necesarias para la conversión de una célula normal en tumoral.
- Infecciones por virus que desarrollan ciclo lisogénico (integran su ADN en el de la célula infectada) e incorporan genes que, al expresarse, anulan los mecanismos de autocontrol de la división celular. Es el caso del virus del papiloma humano, que causa cáncer de cuello de útero.
Mitosis
La mitosis es un proceso de división de células diploides que permite producir 2 células hijas genéticamente iguales entre sí y a la célula madre, ya que se realiza a través de un reparto equitativo y ordenado de cromosomas. Por ello es necesaria cuando n > 1, como sucede en los eucariontes.
Su finalidad es la de permitir la reproducción asexual de los eucariontes unicelulares y permitir el crecimiento y regeneración del cuerpo de los pluricelulares.
En la mitosis, la división del núcleo o cariocinesis tiene 4 fases. Va seguida de la división del conjunto de la célula o citocinesis.
Profase
- Condensación de la cromatina hasta cromosomas.
- Desaparición del nucleolo.
- Desintegración de la membrana nuclear.
- Migración de los C.O.M. (centros organizadores de microtúbulos) hasta polos opuestos de la célula.
- Formación de las fibras del áster en los C.O.M.
- Formación de las fibras polares del huso acromático entre ambos C.O.M.
- Formación de las fibras cinetocóricas del huso acromático entre los C.O.M. y los cinetócoros de los centrómeros de los cromosomas. Cada cromátida queda unida a un C.O.M.
- Los cromosomas se desplazan hacia el ecuador celular.
Metafase
- Los cromosomas ("dobles") alcanzan su máximo estado de condensación.
- Los cromosomas se disponen formando la placa ecuatorial, con los brazos hacia afuera, y cada cromátida orientada hacia un polo celular.
Anafase
- Los microtúbulos cinetocóricos se acortan y los cromosomas se desgarran por el centrómero, separándose las cromátidas hermanas, que ahora pasan a ser cromosomas "simples".
- Cada grupo de cromosomas se desplaza hacia un polo celular.
Telofase
- Cada grupo de cromosomas alcanza un polo celular.
- El huso acromático se desorganiza.
- Los cromosomas se descondensan.
- Los nucleolos se regeneran.
- Se forma una envoltura nuclear en torno a cada grupo de cromosomas.
Citocinesis
- Es la división de la célula madre en 2 células hijas, que acompaña a la mitosis.
- Se inicia cuando aún no ha terminado la telofase.
- Los orgánulos celulares no se reparten de forma equitativa: no es necesario, ya que cada célula hija...
- tiene los genes necesarios para sintetizar los orgánulos que necesite;
- recibe varias mitocondrias (y cloroplastos), que son de replicación autónoma.
- En células animales: la célula madre se estrangula por su ecuador, gracias a un anillo de filamentos de actina, que se va cerrando progresivamente.
- En células vegetales: se forma un tabique en la zona ecuatorial, el fragmoplasto, a partir de vesículas del aparato de Golgi que contienen las moléculas propias de la lámina media de la pared celular vegetal. Estas vesículas se van fusionando progresivamente hasta que se forma una pared continua que separa a las 2 células hijas. Posteriormente se añadiran las moléculas propias de la pared primaria y, en su caso, de la secundaria.
Meiosis
La meiosis es un proceso de división de células diploides que permite producir 4 células hijas haploides, que luego van a madurar hasta gametos, y que podrán unirse a otros gametos durante la fecundación, tras la cual se restaura la dotación cromosómica normal de las células de esa especie. Es decir, es necesaria para la reproducción sexual. Sin la meiosis, el nº de cromosomas de las células se duplicaría tras cada fecundación.
Sucede a través de 2 divisiones celulares consecutivas, que siguen a una única fase de duplicación del ADN. La 1ª se llama "división reduccional" porque el nº de cromosomas de las células se reduce a la mitad:
1 célula con 2n cromosomas simples → 1 célula con 2n cromosomas dobles → 2 células con n cromosomas dobles → 4 células con n cromosomas simples.
Además, incluye 2 procesos (el sobrecruzamiento en la profase I y la mezcla de los cromosomas de los 2 parentales en la anafase I) que permiten generar combinaciones nuevas y únicas de genes. Esta recombinación genética hace imposible que en una misma especie haya 2 gametos iguales, y junto con la fecundación al azar de 2 gametos de polaridad opuesta, hace imposible en la práctica que en las especies con reproducción sexual haya 2 individuos iguales, salvo que provengan del mismo cigoto (gemelos).
Profase I
- Leptotene: Unión de los cromosomas a la membrana nuclear.
- Zigotene: Los cromosomas homólogos se unen entre sí y se forman los bivalentes, cada uno con 4 cromátidas.
- Paquitene: Sobrecruzamiento en cada bivalente entre segmentos homólogos (con los mismos genes) de cromátidas no hermanas (puede que con diferentes alelos). Este proceso genera cromosomas con una combinación de genes distinta de las originales materna y paterna, y por tanto es causa de recombinación genética.
- Diplotene: Separación de los cromosomas homólogos de cada bivalente; se visualizan al m.o. los lugares donde ha habido sobrecruzamiento (quiasmas). En este estado están los ovocitos humanos hasta que su folículo de Graaf madura.
- Diacinesis: Los quiasmas desaparecen tras desplazarse hacia los extremos.
- Además, a lo largo de la profase I se separan los centrosomas, se forma el huso acromático, se condensan los cromosomas, se unen a los microtúbulos cinetocóricos y desaparecen el nucleolo y la membrana nuclear.
Metafase I
- Los bivalentes alcanzan su máximo estado de condensación.
- Los bivalentes se sitúan en la placa ecuatorial, con los 2 cinetócoros de cada cromosoma orientados hacia el mismo polo.
Anafase I
- Los microtúbulos cinetocóricos se acortan y los bivalentes se desgarran, separándose los cromosomas homólogos. Esta separación forma 2 grupos de n cromosomas "dobles", cada uno de los cuales incluye tanto cromosomas de origen materno como cromosomas de origen paterno, y por lo tanto es causa de recombinación genética.
- Cada grupo de cromosomas se desplaza hacia un polo celular.
Telofase I
- El huso acromático se desorganiza.
- Los cromosomas se descondensan.
- Los nucleolos se regeneran.
- Se forma una envoltura nuclear en torno a cada grupo de cromosomas.
Citocinesis I
- Se divide el citoplasma y se forman 2 células hijas, cada una con n cromosomas "dobles".
2ª División Meiótica
- Sucede a continuación de la primera, sin una duplicación del ADN entre ambas.
- Es una mitosis normal.
- En la metafase II se separan las cromátidas de los n cromosomas "dobles" de cada una de las 2 células.
- Se pasa de 2 células madre con n cromosomas "dobles" a 4 células hijas, cada una con n cromosomas "simples".
- No se reduce, por tanto, el número de cromosomas.
Mitosis, Meiosis y Reproducción
La reproducción asexual por mitosis genera 2 individuos unicelulares hijos genéticamente idénticos, clónicos. Resulta fácil y permite una rápida expansión dentro del hábitat actual, lo que es deseable cuando las condiciones son estables y favorables.
La reproducción sexual por meiosis y fecundación, en cambio, genera individuos siempre diferentes, ya que:
- Se produce por la combinación al azar entre gametos durante la fecundación;
- Estos gametos son siempre distintos a causa de los 2 procesos de recombinación genética que se dan durante la meiosis de la gametogénesis:
- El sobrecruzamiento de la Profase I;
- La segregación independiente de los cromosomas del mismo parental en la Anafase I.
Resulta más laboriosa, pero al generar una enorme diversidad de individuos, permite la adaptación a una diversidad de ambientes mucho mayor. Esto favorece que la especie...
- pueda colonizar nuevos hábitats;
- tenga más capacidad de resistir los cambios ambientales en el hábitat actual.