(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Reproducción en los seres
vivos)( Reproducción
celular mitosis y meiosis) (Introducción) (El
ciclo celular) (Etapas
del ciclo celular) (Apoptosis)
(Historia
del ciclo celular) (Introducción
e historia de la mitosis) (Profase
de la mitosis, condensación) (Huso
mitótico) (Prometafase
mitotica) (Mitosis
de la metafase a la citocinesis) (Tipos
de mitosis) (Introducción
e historia de la meiosis) (Meiosis
I, profase I y recombinación genética) (Meiosis
I y meiosis II) (Importancia
de la recombinación genética) (No
disyunción durante la meiosis) (Referencias
bibliográficas)
En una población de células en división, sea en el interior de un ser vivo multicelular o en una caja de petri para cultivo de tejidos in vitro, cada célula pasa a través de una serie de estados o fases determinadas durante su vida activa, y a estas fases se las denomina en su conjunto el ciclo celular. El ciclo celular puede ser dividido en dos grandes fases, la fase de mitosis o división celular y la fase intermedia entre dos mitosis llamadas interfase. Dependiendo del tipo de célula, la interfase puede durar desde unos cuantos minutos, hasta años. Un detalle importante a tener en cuenta es que la mayoría de los textos en los que se presenta el ciclo celular, incluyendo el libro de biología molecular que sirve de base para los presentes escritos, es que se enfocan en el modelo eucariota para describirlo.
Figura 1. El ciclo celular es una idealización, no todas las células lo
completan, y la duración de cada etapa es variable, además, solo aplica para
las células eucariotas.
Por ejemplo, en las
bacterias, la fase de síntesis de ADN es ininterrumpida, en base a que estas
células se reproducen a gran velocidad. Debido a que el modelo eucariota es el
que se impone a la hora de explicar el ciclo celular, debemos tener en cuenta
que conceptos tales como la condensación de los cromosomas no pueden ser
aplicados a modelos bacterianos, por tal razón se realizará un artículo en esta
sección correspondiente a cómo opera el ciclo celular en las bacterias y
archaeabacterias.
La interfase se
define como todo lo que ocurre en el periodo en que una mitosis concluye y otra
comienza. El periodo de tiempo que dura esta fase del ciclo celular es
extremadamente variable, siendo entre unos cuantos minutos en células que
experimentan una rápida reproducción, hasta varios años en las células del
tejido nervioso como las neuronas. Independientemente a ello, en la interfase
se cumplen una serie de funciones básicas de los seres vivos que serán
relacionadas con los temas básicos de la biología. Los tres temas básicos de la
biología se relacionan con la obtención de energía, la reproducción y la
evolución, y todas se llevan a cabo de manera completa o parcial durante la
interfase.
(YouTube) El ciclo celular
Durante la
interfase la célula se alimenta, es decir desarrolla todas sus actividades
metabólicas enfocadas con la obtención de masa y energía del medioambiente,
además de las funciones que apoyan a esta, como la relación con el
medioambiente y otros seres vivos dentro de su población, su comunidad y su
ecosistema. Durante la interfase también tiene lugar la replicación del ADN, es
decir, la preparación del material genético para que este se encuentre en las
copias suficientes en el momento en que inicie una nueva fase de mitosis. Esta
función se la relaciona directamente con el tema de biología de reproducción,
pero también es el eje fundamental de la evolución. Para que la evolución se dé
a cabo, es necesario que el genoma “como conjunto de proteínas y ADN y ARN”
experimente cambios más o menos regulados y aleatorios “que NO son mutuamente
excluyentes” que alteran las nuevas copias de material genético formadas, las
cuales a su vez generen cambios en como las células hijas se relacionarán con
el medioambiente.
Estas copias luego
se transfieren a las células hijas que a su vez experimentaran alteraciones en
su funcionamiento en su interfase futura. En seres vivos unicelulares y
eucariotas esta es una fuente de cambio evolutivo, pero no la única. Sin embargo,
en los seres vivos eucariotas multicelulares, esta fuente de cambio tiene la
tendencia a ser perjudicial, siendo la causa más común para un conjunto de
enfermedades denominadas cáncer. En los seres vivos multicelulares eucarióticos
la fuente de cambio evolutivo útil se traslada desde la mitosis hacia un
segundo proceso de reproducción celular restringido a un pequeño conjunto de
células y que denominaremos en su conjunto meiosis. En resumen, durante la
interfase deben ocurrir los procesos de crecimiento celular y de síntesis de
nuevo material genético, ahora la pregunta es, ¿suceden de manera simultánea?,
la respuesta a esta pregunta es lo que ha conllevado a los biólogos a dividir
la interfase en una serie de subfases celulares, que generalmente se simbolizan
con la primera letra de su palabra en inglés.
Consistente en el
reparto equitativo del material hereditario (ADN) característico. ste tipo de
división ocurre en las células somáticas y normalmente concluye con la
formación de dos núcleos separados (cariocinesis), seguido de la separación del
citoplasma (citocinesis), para formar dos células hijas. La mitosis completa,
que produce células genéticamente idénticas, es el fundamento del crecimiento,
de la reparación tisular y de la reproducción asexual. La otra forma de
división del material genético de un núcleo se denomina meiosis y es un proceso
que, aunque comparte mecanismos con la mitosis, no debe confundirse con ella,
ya que es propio de la división celular de los gametos. Produce células
genéticamente distintas y, combinada con la fecundación, es el fundamento de la
reproducción sexual y la variabilidad genética.
Una de las
propiedades que distingue a varios tipos de célula en el interior de organismos
multicelulares como plantas y animales es su capacidad para crecer y dividirse.
Por lo anterior, las células pueden ser clasificadas en tres tipos de
categorías generales. Altamente especializadas: Son células como las nerviosas,
los glóbulos rojos y las musculares carecen de la habilidad para reproducirse,
es decir, una vez que han alcanzado su función definida, ellas permanecen en
interfase hasta que mueren.
Medianamente
especializadas: son células que en sus contextos normales no se dividen, pero
que pueden ser inducidas a hacerlo si reciben un estímulo como una lesión. Por
ejemplo, las células hepáticas pueden ser inducidas a reproducirse después de
la remoción de grandes partes del hígado de manera quirúrgica; o mediante la
reacción a adecuados medicamentos.
Células de
reproducción rápida y muy poco especializadas: en esta categoría se encuentran
las células madre de varios tipos de estadio de desarrollo o de tejidos. Un
ejemplo en los tejidos adultos son las células hematopoyéticas.
Las células vegetales
de los meristemas apicales de las plantas exhiben las propiedades de baja
especialización y un periodo de interfase corto, lo cual les permite crear
nuevos tejidos a medida que las plantas van creciendo.
¿El control del ciclo celular es importante? Si le preguntas
a un oncólogo - un médico que trata a pacientes con cáncer - él o ella
probablemente responderá con un rotundo sí.
El cáncer es básicamente una enfermedad de la división celular
incontrolada. Su desarrollo y progresión suelen estar vinculados a una serie de
cambios en la actividad de los reguladores del ciclo celular. Por ejemplo, los
inhibidores del ciclo celular evitan que las células se dividan cuando las
condiciones no son correctas, por lo que muy poca actividad de estos
inhibidores puede promover el cáncer. Del mismo modo, los reguladores positivos
de la división celular pueden conducir al cáncer si son demasiado activos. En
la mayoría de los casos, estos cambios en la actividad se deben a mutaciones en
los genes que codifican las proteínas reguladoras del ciclo celular, siendo
casi un tercio debido al azar y otros dos a la herencia familiar.
Las células
cancerosas se comportan de manera diferente que las células normales del
cuerpo. Muchas de estas diferencias están relacionadas con el comportamiento de
la división celular. Por ejemplo, las células cancerosas pueden multiplicarse
en cultivo (fuera del cuerpo en una caja de Petri) sin que se añadan factores
de crecimiento, o señales de proteínas estimuladoras del crecimiento. Esto es
diferente de las células normales, que necesitan factores de crecimiento para
crecer en la cultura. Las células cancerosas pueden crear sus propios factores
de crecimiento, tener vías de factores de crecimiento que están atrapadas en la
posición de "encendido" o, en el contexto del cuerpo, incluso atraer
a las células vecinas a producir factores de crecimiento para sostenerlas.
Las células
cancerosas también ignoran las señales que deberían hacer que dejen de
dividirse. Por ejemplo, cuando las células normales adultas en una caja de
Petri son apiñadas por vecinos en todos los lados, ya no se dividirán. Las
células cancerosas, por el contrario, siguen dividiéndose y apilándose una
encima de otra en capas grumosas. El ambiente en una caja de Petri es diferente
del ambiente en el cuerpo humano, pero los científicos piensan que la pérdida
de la inhibición del contacto en las células cancerosas adultas in vitro
refleja la pérdida de un mecanismo que normalmente mantiene el equilibrio del
tejido en el cuerpo. Otro signo distintivo de las células cancerosas es su
"inmortalidad replicativa", un término de fantasía para el hecho de
que pueden dividirse muchas más veces que una célula normal del cuerpo. En
general, las células humanas pueden pasar sólo alrededor de 40-60 rondas de
división antes de que pierdan la capacidad de dividir, "envejecer" y
finalmente se suiciden apoptóticamente.
Un tumor en específico es famoso por su pervivencia casi
ilimitada. La primera vez que se cultivaron células humanas de manera
artificial “in vitro” fue en 1941 por los investigadores George y Martha Gey de
la universidad de Johns Hopkins. Las células fueron obtenidas de un tumor
maligno y nombradas células HeLa en honor a la donante Henrietta Lacks. Henrietta Lacks, nacida en 1920 y murió en 1951, sin
embargo, las células de su tumor siguen tan vivas hoy, como lo estuvieron en
los años 20s. Las células HeLa aún siguen siendo cultivadas en el laboratorio
aun hoy, después de que la donante original hubiera muerto muchos años atrás.
Lo que implica un fenómeno importante, una de las características de las
células cancerígenas es que no pueden morir. Es tan fuerte esta propiedad que
incluso se han convertido en contaminantes comunes de los medios de cultivo de
biología celular, en otras palabras las células HeLa se han convertido en un
ser vivo independiente en toda regla (Skloot & Turpin, 2010). Lo anterior si lo comparamos
con las bacterias nos confiere una característica básica de los seres vivos, la
muerte no es una característica esencial de la vida a nivel celular; a ese
nivel la vida nunca envejece y potencialmente puede existir para siempre.
El estudio del ciclo celular no es solo importante en términos de la acumulación de conocimiento básico de la biología, sino que aún más importante, posee implicaciones prácticas para combatir el cáncer, una enfermedad que se basa en la pérdida de control de la célula de su propio ciclo de vida. En 1970, una serie de experimentos basados en fusión celular llevados a cabo por Potu Rao y Robert Johnson de la universidad de Colorado ayudó a abrir las puertas del entendimiento de cómo es que el ciclo celular es regulado. Rao y Johnason deseaban saber si el citoplasma de las células contiene elementos reguladores que afectan las actividades celulares (Rao & Johnson, 1970). Ellos se aproximaron a la cuestión median la fusión de células de mamíferos en diferentes estadios del ciclo celular.
Figura 2. Puntos de control.
En un experimento,
ellos fusionaron las células en mitosis con otras que se encontraban en
periodos de interfase. Las células en mitosis siempre inducían a la
compactación de la cromatina en los núcleos de las células no mitóticas. Si se
fusionan dos células, una en G1 y la otra en mitosis, el núcleo de la célula
que está en G1 lleva a cabo una compactación cromosoma prematura “condensa los
cromosomas antes de tiempo”. Si una célula en G2 se fusionó con una célula en
mitosis, los cromosomas de la célula en G2 también se condensan, pero a
diferencia de lo que sucede en la célula en G1, los cromosomas de la célula G2
están visiblemente duplicados, reflejando el hecho de que la fase S ya se ha
llevado a cabo.
Si una célula en
mitosis es fusionó con una célula en fase S, la cromatina de la célula en fase
S también se condensa. Sin embargo, la compactación de la cromatina en la fase
S conlleva fácilmente al daño del ADN y se pulveriza en fragmentos
rápidamente. Los resultados de estos tipos
de experimentos sugirieron que el citoplasma de una célula en mitosis poseen
factores que inducen respuestas en los núcleos en una célula que no se
encuentra en mitosis. Este hallazgo sugirió que la transición de G2 a M se
encuentra bajo un control positivo, es decir, que la transición se induce
mediante la presencia de un agente estimulante, lo cual en la biología casi
siempre es una proteína.
Las redes de control y los puntos de control regulan la
progresión del ciclo celular. Los puntos de control son circuitos bioquímicos
que detectan estímulos externos o internos y envían señales apropiadas al
sistema de ciclo celular. El punto de restricción en la fase G1 es una red de
control que integra el estado fisiológico de la célula con su entorno,
incluyendo la entrada de otras células y las interacciones con la matriz
extracelular circundante. Las células deben recibir estímulos de crecimiento
adecuados de su entorno para avanzar más allá de este punto en la fase G1; Si no
pueden vivir sin morir o suicidarse por apoptosis.
Los puntos de control del daño del ADN operan a través de la interfase. Si
se detecta daño, la respuesta al daño del ADN inicia una cascada de eventos que
bloquea la progresión del ciclo celular y también puede desencadenar la muerte
celular por apoptosis. Los problemas con la replicación del ADN generalmente
producen ADN monocatenario y activan la respuesta al daño del ADN. Esta
respuesta estabiliza las horquillas de replicación bloqueadas para que puedan
repararse. Durante la mitosis, el punto de control del conjunto de huso retrasa
la aparición de la segregación cromosómica hasta que todos los cromosomas se
unen adecuadamente al huso mitótico.
La respuesta al daño del ADN regula la progresión del ciclo celular en una
vía de tres niveles. Los primeros sensores detectan daños en el ADN. Estos
sensores activan transductores, que incluyen tanto proteínas quinasas como
activadores transcripcionales. Los transductores actúan sobre los efectores que
en última instancia bloquean la progresión del ciclo celular y también pueden
cumplir otras funciones. Dos principales proteínas quinasas,
ataxiatelangiectasia mutada (ATM) y ataxia-telangiectasia y Rad9 relacionados
(ATR), se encuentran en la cabeza de la vía y también pueden actuar como
sensores de daño del ADN. Activan dos quinasas transductoras, Chk1 y Chk2, así
como un factor de transcripción denominado p53 que induce la expresión de una
cohorte de genes que detienen la progresión del ciclo celular inhibiendo las
quinasas dependientes de ciclinas, así como los genes que desencadenan la
muerte celular por apoptosis.
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