El ciclo celular es el conjunto ordenado de sucesos que transcurre desde que se forma una célula por la división de otra progenitora hasta que se divide y da lugar a dos células hijas. Es el periodo de tiempo que transcurre desde que la célula se forma hasta que se divide.

La Interfase

La interfase es el periodo en el que la célula no se divide; el material genético se duplica y se produce un crecimiento celular. Se subdivide en tres períodos, denominados fase G₁, fase de síntesis o fase S, y fase G₂.

Fase G₁

En la fase G₁, no hay síntesis de ADN, se produce crecimiento celular y duplicación del número de orgánulos y estructuras citoplasmáticas. Muchas células se encuentran bloqueadas en G₁, es decir, no entran en división; se dice, entonces, que están en fase de reposo o fase G₀. Algunas células diferenciadas, como las neuronas, pueden permanecer en la fase G₀ de por vida; se dice, en este caso, que las células se encuentran en estado de reposo. El punto del ciclo celular en el que se toma la decisión de proseguir hacia la fase S y la mitosis se denomina punto R o punto de no retorno, y se encuentra situado hacia el final de G₁.

Fase S

En la fase S, la célula tiene que duplicar su material genético (se replican el ADN, las proteínas asociadas a él y los centriolos).

Fase G₂

La fase G₂ es la etapa de preparación para la mitosis; la célula ha alcanzado el tamaño adecuado (casi el doble del original), y los cromosomas están completamente duplicados. Los dos pares de centriolos se disponen cerca de la membrana nuclear.

La Mitosis

La mitosis es un periodo donde se producen la división del núcleo o cariocinesis y la división del citoplasma, la citocinesis. El significado biológico de la mitosis tiene como misión garantizar la conservación del material hereditario durante el proceso de división celular. Para ello, hace un reparto equitativo del ADN y del resto del material celular entre las dos células hijas. Como consecuencia, las dos células resultantes son genéticamente idénticas entre sí e idénticas a la célula madre.

Evolución del Contenido Genético a lo Largo del Ciclo Celular

1. Los cromosomas están compuestos por una cromátida hasta la fase G₁.
2. Tras la fase S, el cromosoma consta de dos cromátidas unidas en el centrómero y la célula se comporta funcionalmente como tetraploide.

Aploide y Diploide

• Aploide: célula u organismo que contiene solo un miembro de cada cromosoma homólogo.
• Diploide: célula u organismo que tiene los dos miembros de cada par de cromosomas homólogos.

Las Fases de la Mitosis

Fase I: La Profase y la Metafase

La Profase

1. Visualización de los cromosomas: los cromosomas se van condensando y se unen a nivel del centrómero; cada cromosoma tiene dos cromátidas.
2. Desaparición de la membrana nuclear y del nucleolo.
3. Formación del huso mitótico: alrededor de los centriolos se forman microtúbulos que se disponen radialmente, constituyendo las llamadas fibras del aster. Los centriolos se separan hacia los dos polos y, desde las fibras del aster, empiezan a aparecer fibras continuas que dan lugar al huso mitótico, que enlaza los dos pares de centriolos.

La Metafase

1. Disposición ecuatorial de los cromosomas: los cromosomas se sitúan en la zona central de la célula, formando la llamada placa ecuatorial.
2. Aparición de los cinetocoros en los cromosomas.
3. Formación de las fibras cromosómicas: que enlazan los centriolos con los cinetocoros y los brazos de los cromosomas.

Fase II: La Anafase y la Telofase

La Anafase

Separación de cromátidas: las fibras cromosómicas disminuyen su longitud. Los cromosomas se separan en sus dos cromátidas, de modo que cada cromátida va a un polo de la célula.

La Telofase

1. Migración completa de las cromátidas a los polos.
2. Desespiralización de los cromosomas.
3. Comienzo de la desorganización del huso mitótico.
4. Reaparición del nucleolo y de la membrana nuclear.

Fase III: La Citocinesis

En las Células Animales

En las células animales que no tienen pared celular, la citocinesis se produce por estrangulamiento. La banda de microfilamentos de actina y miosina situada bajo la membrana plasmática forma un anillo contráctil alrededor del ecuador de la célula, que, al contraerse, acaba escindiendo la célula en dos.

En las Células Vegetales

En las células vegetales se forma una estructura central, el fragmoplasto, a partir de vesículas del aparato de Golgi. Al cabo de un periodo de tiempo, el fragmoplasto se transforma en lámina media.

La Meiosis

La meiosis es la división celular relacionada con la reproducción sexual. Se realiza, por tanto, en las células germinales, y da como resultado los gametos.

Significado Biológico de la Meiosis

La meiosis tiene un doble significado:

1. Reduce a la mitad el material genético: cada gameto recibe un cromosoma de cada pareja; por tanto, los gametos son aploides (n). Después de la fecundación, se restaura la constitución cromosómica (diploide) de la especie. Si no existiese la meiosis, después de cada fecundación, el número de cromosomas se duplicaría.
2. Aumenta la variabilidad genética de una población: esto se debe a la recombinación de la información genética recibida de cada progenitor, proceso que hace que cada individuo sea portador de una información genética única e irrepetible. Sobre esta variabilidad genética actúan la selección natural y la artificial (mejora genética).

Las Fases de la Meiosis

Consiste en dos divisiones sucesivas sin síntesis de ADN.

1. Interfase Premeiótica

En ella se producen, como en la mitosis, cromosomas compuestos por dos cromátidas.

2. La Primera División Meiótica

Es la más larga y compleja. En ella, las parejas de cromosomas homólogos se separan, y se producen tres sucesos fundamentales:

• Apareamiento de cromosomas homólogos.
• Recombinación genética.
• Segregación de cromosomas homólogos.

Se divide en fases parecidas a la mitosis: profase I, metafase I, anafase I y telofase I. La profase I se divide a su vez en cinco subetapas: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis.

3. La Segunda División Meiótica

En ella se separan las cromátidas, tal y como ocurría en la mitosis. El resultado del proceso es la obtención, a partir de cada célula original diploide (2n cromosomas), de cuatro células aploides (con n cromosomas compuestos por una sola cromátida). Es análoga a la mitosis y se divide en las mismas etapas: profase II, anafase II y telofase II.

Los Genes y los Cromosomas

Genes

Son segmentos específicos de ADN que controlan las estructuras y las funciones celulares. Mendel los denominó factores hereditarios.

Cromosomas

Son estructuras presentes en el núcleo de la célula eucariota, formadas por moléculas de ADN y por proteínas.

Locus

Es el lugar que ocupa cada gen en el cromosoma.

Cromosomas Homólogos

Par de cromosomas que se recombinan durante la meiosis. Tienen la misma estructura y los mismos loci, pero pueden contener distintos alelos.

Alelos

Cada una de las formas en que se puede presentar un gen en un determinado locus de cromosomas homólogos.

Homocigótico o Raza Pura

Células o individuos con alelos idénticos en uno o más loci de cromosomas homólogos.

Heterocigótico o Híbrido

Células o individuos que presentan dos alelos distintos, ya sea para un carácter determinado.

El Genotipo y el Fenotipo

Genotipo

Conjunto de genes presentes en un organismo, idéntico en todas sus células.

Fenotipo

Es la manifestación externa del genotipo.

Carácter

Cualquier característica determinada genéticamente.

Dominante

Rasgo fenotípico que se expresa en un individuo heterocigótico.

Recesivo

Rasgo que solo se expresa en estado homocigótico.

Las Leyes de Mendel

Primera Ley de Mendel

Ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación: cuando se cruzan dos variedades de individuos de raza pura para un carácter determinado, todos los individuos de la primera generación son iguales entre sí, y a su vez, iguales a uno de sus progenitores.

Segunda Ley de Mendel

Ley de la separación de los alelos que forman la pareja de alelomorfos: cuando se cruzan entre sí plantas de la primera generación, se obtienen semillas amarillas y verdes en una proporción de 3:1.

Tercera Ley de Mendel

Ley de la herencia independiente de los caracteres: cuando se estudia la herencia, considerando dos caracteres de manera simultánea, se observa que los alelos de un gen pueden transmitirse independientemente de los alelos de otro gen.

La Estructura de los Genes

Definición Clásica de Gen

El gen se define como la unidad elemental de la herencia, la región física y funcional del cromosoma portadora de la información genética y responsable de conferir rasgos al organismo.

Definición Molecular de Gen

• Hipótesis 1 gen-1 enzima.
• Hipótesis 1 gen-1 proteína.
• Hipótesis 1 gen-1 polipéptido.

En la actualidad, este concepto debe ser ampliado, debido a que el gen tiene dos tipos de secuencias diferentes: una estructural y otra reguladora de la expresión.

Flujo de la Información Genética

El flujo va desde el ADN hasta el ARN, y desde el ARN, hasta las proteínas con un bucle de ADN-ADN para la autorreplicación.

Esquema Actual del Dogma Central de la Biología

En primer lugar, la flecha que retrocede desde el ARN al ADN indica que el ARN puede servir como molde para la síntesis de ADN. Todos los virus con ARN pueden producir una enzima conocida como transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, que sintetiza una cadena de ADN complementaria al ARN vírico. En segundo lugar, el ARN puede actuar como molde para su propia replicación.

La Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual, a partir de una molécula de ADN, se sintetizan dos moléculas hijas con la misma secuencia que el ADN original. Tiene lugar en la fase S de la interfase.

Hipótesis sobre la Replicación del ADN Semiconservativa

Las cadenas de ADN se separan y cada una sirve de molde para una nueva. Cada molécula hija tiene una cadena molde intacta y una cadena recién replicada.

Replicación del ADN in vitro

Kornberg en 1956 aisló a partir de la bacteria E. coli la ADN polimerasa. Para actuar, la ADN polimerasa requiere:

1. Desoxirribonucleótidos trifosfato.
2. ADN: una de las hebras actúa como patrón y un extremo de la otra hebra actúa como cebador.
3. Mg²⁺.

Características de la ADN Polimerasa

• No puede actuar sin cebador.
• Solo actúa en dirección 5’->3’, es decir, solo añade nucleótidos al extremo 3’.

Síntesis del ADN in vivo

Presenta dos problemas:

1. ¿Cómo actúa la ADN polimerasa sin cebador?
2. ¿Cómo se sintetiza la hebra 3’->5’ si la ADN polimerasa no puede actuar en esa dirección?

La respuesta a estos problemas la dio el descubrimiento de los fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos están constituidos por unos 50 ribonucleótidos de ARN, que entre 1,000 y 2,000 desoxirribonucleótidos. En primer lugar, están sintetizados por ARN polimerasa que no precisa cebador y posteriormente por la ADN polimerasa en dirección 5’->3’.

Mecanismo de la Duplicación, Replicación o Síntesis del ADN

Replicación en Procariotas (Bacterias)

1. Existe una secuencia de nucleótidos en el ADN que actúa como señal de iniciación.
2. El proceso se inicia con la actuación de las helicasas que rompen los puentes de hidrógeno de las hebras complementarias. También actúan las topoisomerasas que eliminan las tensiones que aparecen como consecuencia del desenrollamiento de las dos hebras. A continuación, actúan las proteínas estabilizadoras o proteínas SSB que mantienen la separación de las hebras formando la horquilla de replicación.
3. Como la ADN polimerasa no puede actuar sin cebador, en primer lugar actúa la ARN polimerasa, creando un pequeño fragmento de ribonucleótidos unidos (que actúan como cebador).
4. A continuación, actúa la ADN polimerasa III que añade nucleótidos en dirección 5’->3’. La energía necesaria para el proceso la aportan los nucleótidos al perder dos de sus grupos fosfato. Esta hebra que se forma es de crecimiento continuo. El proceso es bidireccional.
5. Sobre la otra hebra, que es antiparalela, la ARN polimerasa sintetiza un fragmento de aproximadamente 50 nucleótidos en un punto que dista entre 1,000 y 2,000 nucleótidos de la señal de iniciación. A continuación, actúa la ADN polimerasa III añadiendo entre 1,000 y 2,000 desoxirribonucleótidos en dirección 5’->3’ formando un fragmento de Okazaki. Este proceso se repite a medida que se separan las dos hebras. A continuación, la ADN polimerasa I, gracias a su actividad exonucleasa polimerasa, rellena los huecos con desoxirribonucleótidos.
6. Para finalizar, la ADN ligasa unirá los diferentes fragmentos. La hebra es de crecimiento discontinuo.

Replicación en Eucariotas

Diferencias: el proceso es más lento. Los fragmentos de Okazaki son más pequeños. El ADN de los eucariotas está ligado a proteínas denominadas histonas. La hebra que sirve como patrón a la hebra de crecimiento continuo se queda con las histonas. La hebra que sirve de patrón a la de crecimiento discontinuo y ella misma se une a nuevas histonas sintetizadas por las células.

El Mecanismo de la Transcripción

La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a una secuencia de ARN, ya sea ARNm, ARNr o ARNt. Para ello intervienen el ADN, ribonucleótidos trifosfato de A, C, G y U, las ARN polimerasas y los cofactores.

En Bacterias

1. Iniciación: la ARN polimerasa se asocia a una región concreta del ADN denominada promotor. A continuación, la ARN polimerasa desenrolla, aproximadamente, una vuelta de hélice permitiendo la polimerización de ARN a partir de una de las hebras que utiliza como patrón.
2. Elongación o Alargamiento: a medida que la ARN polimerasa recorre la hebra de ADN patrón hacia su extremo 5’, se sintetiza una hebra de ARN en dirección 5’->3’.
3. Finalización: la finalización se produce al llegar a una secuencia rica en G y C que posibilita la autocomplementariedad de la cola del ARN, lo que da lugar a un bucle final que provoca su separación del ADN.
4. Maduración: si lo que se sintetiza es un ARNm, no hay maduración; en cambio, si es un ARNt o un ARNr, sería necesario.

En Eucariontes

En primer lugar, existen tres tipos de ARN polimerasa, según el tipo de ARN que se ha de sintetizar. En segundo lugar, siempre es necesario un proceso de maduración en el que se eliminan intrones y se empalman las secuencias con sentido o exones. En el caso de la síntesis de ARNm, se distinguen las siguientes etapas:

1. Iniciación: existe una región del ADN denominada región promotora, donde se fija la ARN polimerasa II, que consta de dos señales denominadas secuencias de consenso: la CAAT y la TATA.
2. Alargamiento o Elongación: el proceso de síntesis continúa en sentido 5’->3’. Al cabo de 30 nucleótidos transcritos se añade una caperuza constituida por una metil-guanosina trifosfato.
3. Finalización: está relacionada con la secuencia determinada. A continuación, interviene la enzima poli-A-polimerasa que añade al extremo final 3’ un segmento de unos 200 ribonucleótidos de adenina, la llamada cola de poli A, al pre-ARNm, también llamado ARN heterogéneo nuclear.
4. Maduración: la maduración la realiza una enzima denominada ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). La ribonucleoproteína pequeña nuclear contiene unas secuencias que son complementarias a las de los dos extremos de los intrones. Al asociarse, el intrón se curva y se desprende. A continuación, actúan ARN-ligasas específicas que empalman los exones.