Ciclo Celular: Fases y Regulación

El ciclo celular comprende los períodos de crecimiento y división que tienen lugar durante la vida de una célula. Este ciclo está sujeto a diversos factores de control.

Factores de Control del Ciclo Celular

• Regulación enzimática: El paso de G1 a S (punto de restricción) está regulado por la unión a dos proteínas: ciclinas y quinasas dependientes de ciclinas (CDK), que impulsan la progresión del ciclo.
• Factores de crecimiento: La unión de factores de crecimiento a receptores de membrana (MB) desencadena reacciones en cascada que activan genes, permitiendo la entrada en la fase S.
• Otros factores: Tamaño celular, contacto con otras células o el sustrato, temperatura, edad, etc.

Replicación del ADN: Proceso y Fases

Durante la fase S de la interfase, se produce la replicación o duplicación del ADN. Este proceso es crucial porque el ADN sintetiza una copia idéntica de sí mismo. La replicación es semiconservativa: cada una de las dos cadenas complementarias del ADN original sirve de molde para una nueva cadena. Así, cada nueva doble hélice de ADN tendrá una cadena original y otra recién sintetizada. Este proceso es fundamental para la herencia del material genético.

1. Fase de Iniciación: Desenrollamiento y Apertura

Existe una zona en el ADN, rica en secuencias GATC, llamada oriC (punto de iniciación). Esta zona es reconocida por proteínas específicas que facilitan la unión de las helicasas. Las helicasas rompen los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, abriendo la doble hélice como una cremallera. Este desenrollamiento podría crear una tensión por superenrollamiento en zonas próximas; esto se evita mediante la acción de girasas y topoisomerasas.

Cuando la doble hélice se desenrolla, se unen a las zonas expuestas las proteínas de unión a cadena sencilla (SSB, single-strand binding DNA). Estas proteínas evitan que las cadenas se vuelvan a enrollar y permiten que se unan nuevos nucleótidos.

A ambos lados del punto de iniciación, la doble hélice se abre, formando una burbuja de replicación y dos horquillas de replicación que avanzan en direcciones opuestas.

2. Fase de Elongación: Síntesis de la Nueva Hebra

En esta fase, se sintetiza una nueva hebra de ADN tomando como molde cada hebra de la doble hélice original. Intervienen las enzimas ADN polimerasas (I, II, III), que tienen una doble función:

A) Actividad polimerasa: Unen entre sí los nucleótidos que formarán la nueva cadena. Recorren la cadena molde, seleccionan desoxirribonucleótidos cuyas bases son complementarias a las de la hebra molde y los unen. (Se unen desoxirribonucleótidos trifosfato, que liberan energía en la hidrólisis de los enlaces de sus grupos fosfato).

B) Actividad exonucleasa: Eliminan nucleótidos con bases mal apareadas, así como fragmentos de ARN cebador.

Mecanismo de Elongación

La ADN polimerasa III recorre las hebras molde en sentido 3’→ 5′ y une nucleótidos a los extremos 3′(OH) libres. Por lo tanto, la hebra que se forma lo hace en dirección 5′ → 3′. Sin embargo, las dos cadenas de ADN son antiparalelas. La síntesis en sentido 5’→ 3′ se realiza sin interrupciones, de forma continua, y se forma la cadena conductora o líder. Pero la otra hebra se encuentra en sentido opuesto. La ADN polimerasa no puede unir nucleótidos en sentido 3’→ 5′. En esta otra hebra, se produce una síntesis discontinua (5’→ 3′) en pequeños fragmentos (fragmentos de Okazaki). Para iniciar la unión de nucleótidos, la ADN polimerasa requiere un fragmento de ARN llamado cebador o primer, que tiene un extremo OH libre. El cebador es sintetizado por una ARN polimerasa llamada primasa. En la cadena conductora, habrá un solo cebador, mientras que en la retardada habrá varios (uno por fragmento de Okazaki). La ADN polimerasa I se encarga de eliminar los cebadores y rellenar los huecos con nucleótidos complementarios a la hebra molde. Finalmente, la ADN ligasa une los fragmentos.

Finalización

Cada hebra recién sintetizada y la que ha servido como molde se enrollan, originando una doble hélice. Como la duplicación es bidireccional a partir del punto de iniciación, cada hebra se sintetizará, en parte, de forma continua y, en parte, de forma discontinua.

Aunque en la replicación es fundamental mantener la fidelidad del mensaje genético, existe un mínimo margen para la aparición de variaciones que contribuyen a los cambios evolutivos.

Los cromosomas eucariotas contienen moléculas de ADN muy largas, por lo que la replicación se inicia en varios puntos de cada cromosoma a la vez (replicones).

• Existen 5 tipos de ADN polimerasa (“alfa, beta, gamma, delta, épsilon”).
• Las histonas se duplican durante la replicación y se forman nuevos nucleosomas.

El proceso de replicación se completa hasta llegar al telómero. Cuando se elimina el último cebador, la hebra retardada quedará incompleta porque la ADN polimerasa no puede rellenar el hueco al no poder sintetizar en sentido 3’→ 5′ (necesitaría un extremo hidroxilo libre para iniciar un nuevo fragmento). El telómero se va acortando en cada división, lo que contribuye al envejecimiento y la muerte celular.

Muerte Celular: Necrosis y Apoptosis

Existen dos tipos principales de muerte celular:

• Necrosis: Muerte celular “accidental”, causada por un daño grave. Se caracteriza por la alteración de la membrana plasmática, los orgánulos y el núcleo, así como por el hinchamiento de la célula.
• Apoptosis: Muerte celular “programada”, un proceso natural en el que las células se autodestruyen siguiendo un programa genético. Implica la retracción celular, la condensación de la cromatina y, finalmente, la ruptura de la célula en fragmentos apoptóticos que son fagocitados por macrófagos.

Meiosis y su Significado Biológico

La meiosis aumenta la variabilidad génica de una población debido a la recombinación de cromosomas homólogos.

Reproducción Asexual vs. Sexual

• Reproducción asexual: Se basa en la mitosis o fisión binaria. No hay variabilidad genética, por lo que las posibilidades de adaptación y evolución son limitadas (dependen principalmente de mutaciones).
• Reproducción sexual: Implica la fusión de dos células haploides (gametos) con diferente origen y, por lo tanto, distintos genes.

La meiosis es un tipo especial de división del núcleo celular que origina cuatro núcleos haploides a partir de un núcleo diploide. Se da en individuos diploides (2n) para la formación de gametos (n). Se distinguen dos fases principales:

Primera División Meiótica o División Reduccional

Los cromosomas homólogos se emparejan y luego se separan para dar lugar a los núcleos hijos (n). Cada núcleo tendrá un cromosoma de cada par de homólogos. Este reparto ocurre al azar, lo que contribuye a la variabilidad genética de los gametos. Además, se produce un proceso de recombinación génica o intercambio de material hereditario entre cromátidas de cromosomas homólogos.

Meiosis I: División Reduccional

Durante esta fase, se produce el apareamiento de cromosomas homólogos y el intercambio de material hereditario. Al final, el número de cromosomas de cada núcleo se reduce a la mitad.

Profase I

La profase I se subdivide en varias etapas:

a) Leptoteno: Los cromosomas se condensan (cada uno con dos cromátidas, aunque no se distinguen claramente). Los cromosomas están unidos a la membrana nuclear por zonas próximas a los centrómeros mediante placas de unión. Comienza a formarse el huso mitótico.

b) Zigoteno: Los cromosomas homólogos se unen estrechamente (sinapsis). En la zona de contacto, se forma el complejo sinaptonémico (una estructura formada por una placa central con nódulos de recombinación y elementos laterales fibrilares). Cada pareja de cromosomas se denomina bivalente o tétrada.

c) Paquiteno: Se produce el entrecruzamiento o sobrecruzamiento (crossing-over) de cromátidas no hermanas. Los puntos de sobrecruzamiento son los nódulos de recombinación (que contienen enzimas para el intercambio de genes entre cromátidas de cromosomas homólogos).

d) Diploteno: Los cromosomas homólogos comienzan a separarse, pero permanecen unidos por los puntos donde se produjo el sobrecruzamiento, denominados quiasmas. Desaparecen los complejos sinaptonémicos. Esta etapa puede ser muy larga (días, meses o incluso años).

e) Diacinesis: Los quiasmas se desplazan hacia los extremos del bivalente (terminalización de los quiasmas). Desaparecen la membrana nuclear y el nucléolo. Los bivalentes se unen a los microtúbulos cinetocóricos (los cinetocoros de cada cromosoma están en el mismo lado).

Metafase I

Los bivalentes se sitúan en el plano ecuatorial. Se observan ya las dos cromátidas de cada cromosoma.

Anafase I

Se separan los bivalentes. Cada cromosoma homólogo del bivalente emigra hacia uno de los polos, atraído por los microtúbulos del huso acromático.

Telofase I y Citocinesis

Reaparecen las membranas nucleares y los nucléolos. Se obtienen dos células hijas haploides (n). Los cromosomas homólogos se han repartido al azar y ha habido un intercambio entre cromátidas no hermanas, lo que genera variabilidad genética.

Segunda División Meiótica

Es similar a una mitosis (Profase II, Metafase II, Anafase II, Telofase II y Citocinesis).

Resultado: Cuatro células haploides con una dotación genética que es el resultado de la recombinación entre cromosomas homólogos y de la distribución al azar de estos cromosomas.

Significado Biológico de la Mitosis y la Meiosis

Significado Biológico de la Mitosis

• Reproducción asexual de organismos eucariotas unicelulares.
• Crecimiento y regeneración de tejidos y órganos en organismos eucariotas pluricelulares.
• Misión: Garantizar la conservación del material hereditario durante el proceso de división celular.

Significado Biológico de la Meiosis

• Reduce a la mitad el material genético: Reducción cuantitativa (aunque cualitativamente cada gameto tiene la información genética completa).
• Aumenta la variabilidad génica de una población: Debido a la recombinación de cromosomas homólogos y a su segregación al azar.

Reproducción Asexual vs. Sexual (Reiteración)

• Reproducción asexual: Se basa en la mitosis o fisión binaria. No hay variabilidad genética, por lo que las posibilidades de adaptación y evolución son limitadas (dependen principalmente de mutaciones).
• Reproducción sexual: Implica la fusión de dos células haploides (gametos) con diferente origen y, por lo tanto, distintos genes.