El Ciclo Celular

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

En la interfase, la célula no se divide, el material genético se duplica y se produce un crecimiento celular. Se subdivide en tres periodos, 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, 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 una 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 de este 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.

• Haploide: 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.

Fases de la Mitosis I: Profase y Metafase

Profase

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

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.

Fases de la Mitosis II: Anafase y Telofase

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.

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 nucléolo y de la membrana nuclear.

Fases de la Mitosis III: Citocinesis

1. 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.
2. 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 una 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 haploides (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 es debido 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 es sobre la que actúan la selección natural y la artificial (mejora genética).

Fases de la Meiosis

Dos divisiones sucesivas sin síntesis de ADN.

1. Interfase premeiótica: en ella se producen, como en la mitosis, cromosomas compuestos por dos cromátidas.
2. Primera división meiótica. 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. Segunda división meiótica. En ella se separan 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 haploides (con n cromosomas compuestos por una sola cromátida). Es análoga a una mitosis, y se divide en las mismas etapas: profase II, anafase II, y telofase II.

Primera División Meiótica

Profase I

• Leptoteno: los cromosomas se condensan y comienzan a visualizarse. Cada cromosoma está formado por dos cromátidas.
• Zigoteno: los cromosomas homólogos se emparejan entre sí. Esta asociación se llama sinapsis, y su inicio se puede producir en cualquier punto de las cromátidas.
• Paquiteno: los cromosomas homólogos inician su separación ya que quedan unidos por algunos puntos denominados quiasmas. Estos son la prueba citológica de que se ha producido sobrecruzamiento.
• Diacinesis: los quiasmas se desplazan hacia el extremo del cromosoma y mantienen unidas las cromátidas hasta la metafase. El nucléolo y la membrana nuclear comienzan a desaparecer.

Metafase I

Los bivalentes se sitúan en la placa ecuatorial.

Anafase I

Las dos cromátidas de cada cromosoma se comportan como una unidad funcional (es decir, se desplazan juntas). Los n cromosomas migran a cada polo y se reduce el número de cromosomas a la mitad. Se diferencia de la anafase mitótica en que en esta se separaban cromátidas, no cromosomas.

Telofase I

Cada uno de los cromosomas homólogos se ha desplazado hacia uno de los dos polos de la célula. El grupo de cromosomas de cada polo contiene la mitad de cromosomas que el núcleo original. Al final de la primera división meiótica, se originan dos células hijas haploides, con n cromosomas, pero con dos cromátidas cada una.

Segunda División Meiótica

(Igual que la mitosis)

Genes y 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, Aa, para un carácter determinado.

Genotipo y Fenotipo

• Genotipo: conjunto de genes presentes de 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.

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.

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 un gen-una enzima.
• Hipótesis un gen-una proteína.
• Hipótesis un gen-un 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 fecha 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.

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

Síntesis de 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 del 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 actúan 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 en 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 polimerosa, rellena los huecos con desoxirribonucleótidos.
6. Para finalizar, una 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.

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 interviene el ADN, ribonucleótidos trifosfato de A, C, G, y U, las ARN-polimerasas y los cofactores.

En Bacterias

Se distinguen las siguientes etapas:

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 eliminen intrones y se empalmen 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 síntesis continúa en sentido 5’->3’. Al cabo de 30 nucleótidos transcritos se añade una caperuza constituida por una metil-guanosín-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 de 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.