División celular y crecimiento: duplicación del material genético y el ciclo de división celular


La división celular y el crecimiento. Duplicación del material genético y descripción del ciclo de la división celular. En los organismos unicelulares, la división celular es el medio de reproducción; En los organismos multicelulares, es el medio de crecimiento y mantenimiento de los tejidos.

La supervivencia de los eucariotas depende de las interacciones entre muchos tipos de células, y es esencial que se mantenga una distribución equilibrada de los tipos. Esto se logra mediante el proceso altamente regulado de proliferación celular. El crecimiento y la división de las diferentes poblaciones celulares se regulan de diferentes maneras, pero los mecanismos básicos son similares en todos los organismos multicelulares.

Mitosis Una célula da lugar a dos células hijas genéticamente idénticas

Mitosis
Una célula da lugar a dos células hijas genéticamente idénticas durante el proceso de mitosis.

La mayoría de los tejidos del cuerpo crecen aumentando su número de células, pero este crecimiento está altamente regulado para mantener un equilibrio entre los diferentes tejidos. En los adultos, la mayor parte de la división celular está implicada en la renovación tisular en lugar del crecimiento, muchos tipos de células sometidas a un reemplazo continuo. Las células de la piel, por ejemplo, se desprenden constantemente y se reemplazan; En este caso, las células maduras diferenciadas no se dividen, pero su población se renueva por división de células madre inmaduras. En ciertas otras células, tales como las del hígado, las células maduras permanecen capaces de división para permitir el crecimiento o regeneración después de la lesión.

En contraste con estos patrones, otros tipos de células tampoco pueden dividirse o se les impide dividir por ciertas moléculas producidas por células cercanas. Como resultado, en el organismo adulto, algunos tejidos tienen una capacidad muy reducida para renovar células dañadas o enfermas. Ejemplos de tales tejidos incluyen músculo cardiaco, células nerviosas del sistema nervioso central y células de lente en mamíferos. El mantenimiento y la reparación de estas células se limita a reemplazar componentes intracelulares en lugar de reemplazar células enteras.

Duplicación del material genético


Antes de que una célula pueda dividirse, debe duplicar exacta y completamente la información genética codificada en su ADN para que sus células progenitoras funcionen y sobrevivan. Este es un problema complejo debido a la gran longitud de las moléculas de ADN. Cada cromosoma humano consiste en una espiral doble larga, o hélice, cada capítulo de que consiste en más de 100 millones de nucleótidos (véase arriba el núcleo).

La duplicación del ADN se llama replicación del ADN, y es iniciada por enzimas complejas llamadas ADN polimerasas. Estos progresan a lo largo de la molécula, la lectura de las secuencias de nucleótidos que se unen entre sí para hacer cadenas de ADN. Por lo tanto, cada hilo de la doble hélice de ADN actúa como una plantilla que especifica la estructura de nucleótidos de una nueva cadena de crecimiento. Después de la replicación, cada una de las dos hélices dobles de DNA secundario consiste en una cadena de ADN parental enrollada alrededor de una hebra de ADN recién sintetizada.

Para que el ADN se replique, las dos hebras deben desenrollarse entre sí. Las enzimas llamadas helicasas desenrollan las dos cadenas de ADN, y proteínas adicionales se unen a las cadenas separadas para estabilizarlas y evitar que se vuelvan a emparejar. Además, una notable clase de enzima llamada ADN topoisomerasa elimina las torsiones helicoidales cortando una o ambas hebras y luego resellando el corte. Estas enzimas también pueden desentrañar y descifrar el ADN cuando está fuertemente enrollado en una fibra de cromatina.

En el ADN circular de procariotas, la replicación comienza en un sitio único llamado el origen de replicación y luego procede en ambas direcciones alrededor de la molécula hasta que los dos procesos se encuentran, produciendo dos moléculas hijas. En procariotas de rápido crecimiento, una segunda ronda de replicación puede comenzar antes de que la primera haya terminado. La situación en eucariotas es más complicada, ya que la replicación se mueve más lentamente que en procariotas.

A 500 a 5.000 nucleótidos por minuto (frente a 100.000 nucleótidos por minuto en procariotas), se necesitaría un cromosoma humano alrededor de un mes para replicar si se inicia en un solo sitio. En realidad, la replicación comienza en muchos sitios en los cromosomas largos de animales, plantas y hongos. Las distancias entre sitios de iniciación adyacentes no son siempre las mismas; Por ejemplo, están más cerca en las células embrionarias de ranas o moscas que se dividen rápidamente que en células adultas de la misma especie.

La replicación exacta del ADN es crucial para asegurar que las células hijas tengan copias exactas de la información genética para sintetizar proteínas. La precisión se logra mediante una capacidad de "corrección" de la propia polimerasa de ADN. Puede borrar sus propios errores y luego sintetizar de nuevo. También hay sistemas de reparación que corrigen el daño genético al ADN. Por ejemplo, la incorporación de un nucleótido incorrecto, o daño causado por agentes mutagénicos, se puede corregir cortando una sección de la hebra hija y recopiando la hebra parental.

División celular


Mitosis y citocinesis


En los eucariotas, los procesos de replicación del ADN y división celular ocurren en diferentes momentos del ciclo de división celular. Durante la división celular, el ADN se condensa para formar cromosomas cortos, fuertemente enrollados, parecidos a una varilla. Cada cromosoma se divide longitudinalmente, formando dos cromátidas idénticas. Cada par de cromátidas se divide entre las dos células hijas durante la mitosis, o división del núcleo, un proceso en el que los cromosomas son propulsados por la unión a un haz de microtúbulos llamado el huso mitótico.

La mitosis se puede dividir en cinco fases. En la profase el huso mitótico forma y los cromosomas se condensan. En prometafase la envoltura nuclear se rompe (en muchos pero no todos los eucariotas) y los cromosomas se adhieren al huso mitótico. Ambas cromátidas de cada cromosoma se unen al huso en una región cromosómica especializada llamada cinetocoro. En la metafase los cromosomas condensados ​​se alinean en un plano a través del ecuador del huso mitótico. La anafase sigue a medida que las cromátidas separadas se mueven abruptamente hacia los polos opuestos del huso. Finalmente, en la telófase se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de cada conjunto de cromatides desenredantes.

Una característica esencial de la mitosis es la unión de las cromátidas a polos opuestos del huso mitótico. Esto asegura que cada una de las células hijas reciba un conjunto completo de cromosomas. El huso mitótico está compuesto de microtúbulos, cada uno de los cuales es un conjunto tubular de moléculas de la proteína tubulina (véase arriba el citoesqueleto). Algunos microtúbulos se extienden de un polo del huso al otro, mientras que una segunda clase se extiende de un polo del huso a un chromatid. Los microtúbulos pueden crecer o encogerse por la adición o eliminación de moléculas de tubulina. El acortamiento de los microtúbulos del huso en la anafase impulsa las cromátidas unidas a los polos del huso, donde se desenredan para formar nuevos núcleos.

Los dos polos del huso mitótico están ocupados por centrosomas, que organizan las matrices de microtúbulos. En las células animales cada centrosoma contiene un par de centríolos cilíndricos, que están compuestos por complejos arrays de microtúbulos. Centrioles duplicar en un momento preciso en el ciclo de división celular, por lo general cerca del inicio de la replicación del ADN.

Después de la mitosis viene citoquinesis, la división del citoplasma. Este es otro proceso en el que las células animales y vegetales difieren. En células animales la citocinesis se logra a través de la constricción de la célula por un anillo de microfilamentos contráctiles que consiste en actina y miosina, las proteínas implicadas en la contracción muscular y otras formas de movimiento celular. En las células vegetales el citoplasma se divide por la formación de una nueva pared celular, llamada placa celular, entre las dos células hijas.

La placa celular proviene de pequeñas vesículas derivadas de Golgi que se unen en un plano a través del ecuador del eje de la telófase tardía para formar una estructura en forma de disco. En este proceso, cada vesícula aporta su membrana a las membranas celulares de formación y su contenido de matriz a la pared celular de formación. Un segundo juego de vesículas extiende el borde de la placa celular hasta que alcanza y se fusiona con los lados de la célula madre, separando así completamente las dos nuevas células hijas. En este punto, comienza la síntesis de celulosa, y la placa celular se convierte en una pared celular primaria (véase más arriba la pared celular de la planta).

Meiosis


Una división especializada de los cromosomas llamada meiosis se produce durante la formación de las células reproductoras, o gametos, de los organismos de reproducción sexual. Los gametos como los óvulos, los espermatozoides y el polen comienzan como células germinales, que, al igual que otros tipos de células, tienen dos copias de cada gen en sus núcleos. Los cromosomas compuestos de estos genes coincidentes se denominan homólogos. Durante la replicación del ADN, cada cromosoma se duplica en dos cromátidas unidas. Los cromosomas homólogos son separados a polos opuestos del huso meiótico por microtúbulos similares a los del huso mitótico. En esta etapa de la meiosis de las células germinales, hay una diferencia crucial con la mitosis de otras células. En la meiosis las dos cromátidas que componen cada cromosoma permanecen juntas, de modo que los cromosomas enteros se separan de sus compañeros homólogos. Entonces ocurre la división celular, seguida por una segunda división que se asemeja más a la mitosis en que separa las dos cromátidas de cada cromosoma restante. De esta manera, cuando la meiosis está completa, cada gameto maduro recibe sólo una copia de cada gen en lugar de las dos copias presentes en otras células.

Meiosis La formación de gametos (células sexuales)

Meiosis
La formación de gametos (células sexuales) se produce durante el proceso de meiosis.

El ciclo de división celular


En procariotas, la síntesis de ADN puede tener lugar sin interrupción entre las divisiones celulares, y nuevos ciclos de síntesis de ADN puede comenzar antes de que los ciclos anteriores hayan terminado. En contraste, los eucariotas duplican su ADN exactamente una vez durante un período discreto entre las divisiones celulares. Este período se denomina fase S (para síntesis). Está precedido por un período llamado G1 (que significa "primera brecha") y seguido por un período llamado G2, durante el cual no se produce la síntesis de ADN nuclear.

Los cuatro períodos G1, S, G2 y M (para la mitosis) constituyen el ciclo de división celular. El ciclo celular típicamente dura entre 10 y 20 horas en células adultas que proliferan rápidamente, pero puede ser detenido durante semanas o meses en células quiescentes o durante toda la vida en neuronas del cerebro. La detención prolongada de este tipo usualmente ocurre durante la fase G1 y se refiere a veces como G0. En contraste, algunas células embrionarias, como las de las moscas de la fruta (moscas del vinagre), pueden completar ciclos enteros y dividir en solamente 11 minutos. En estos casos excepcionales, G1 y G2 son indetectables, y la mitosis se alterna con la síntesis de ADN. Además, la duración de la fase S varía drásticamente. El embrión de la mosca de la fruta toma solamente cuatro minutos para replicar su DNA, comparado con varias horas en las células adultas de la misma especie.

Proliferación controlada


Varios estudios han identificado la transición de la G1 a la fase S como un punto de control crucial del ciclo celular. Se sabe que los estímulos causan que las células en reposo proliferen induciéndolas a abandonar G1 y comenzar la síntesis de ADN. Estos estímulos, llamados factores de crecimiento, son proteínas de origen natural específicas de ciertos grupos de células del cuerpo. Incluyen factor de crecimiento nervioso, factor de crecimiento epidérmico y factor de crecimiento derivado de plaquetas. Tales factores pueden tener papeles importantes en la curación de heridas así como en el mantenimiento y el crecimiento de tejidos normales.

Se sabe que muchos factores de crecimiento actúan sobre la membrana externa de la célula, interactuando con moléculas especializadas de receptores de proteínas. Estos responden provocando cambios celulares adicionales, incluyendo un aumento en los niveles de calcio que hace que el interior de las células sea más alcalino y la adición de grupos fosfato al aminoácido tirosina en las proteínas. La respuesta compleja de las células a factores de crecimiento es de fundamental importancia para el control de la proliferación celular.

Incumplimiento del control de la proliferación


El cáncer puede surgir cuando fallan los factores de control sobre el crecimiento celular y permiten que una célula y sus descendientes sigan dividiéndose a expensas del organismo. Los estudios de los virus que transforman las células cultivadas y por lo tanto conducir a la pérdida de control del crecimiento celular han proporcionado una visión de los mecanismos que impulsan la formación de tumores. Las células transformadas pueden diferir de sus progenitores normales al continuar proliferando a densidades muy altas, en ausencia de factores de crecimiento, o en ausencia de un sustrato sólido para soporte.

Retrovirus causantes de cáncer

Retrovirus causantes de cáncer
La inserción retroviral puede convertir un proto-oncogén, integral en el control de la división celular, en un oncogén, el agente responsable de transformar una célula sana en una célula cancerosa. Un retrovirus de transformación aguda (mostrado en la parte superior), que produce tumores dentro de las semanas de infección, incorpora material genético de una célula huésped en su propio genoma tras la infección, formando un oncogén viral.

Cuando el oncogén viral infecta a otra célula, una enzima llamada transcriptasa inversa copia el material genético monocatenario en ADN de doble hebra, el cual se integra en el genoma celular. Un retrovirus de transformación lenta (mostrado en la parte inferior), que requiere meses para provocar el crecimiento del tumor, no interrumpe la función celular a través de la inserción de un oncogén viral. Más bien, lleva un gen promotor que está integrado en el genoma celular de la célula huésped junto o dentro de un proto-oncogén, permitiendo la conversión del proto-oncogén en un oncogén.


Los principales avances en la comprensión del control del crecimiento han provenido de estudios de los genes virales que causan la transformación. Estos oncogenes virales han llevado a la identificación de genes celulares relacionados llamados protooncogenes. Los protooncogenes pueden ser alterados por mutación o modificación epigenética, que los convierte en oncogenes y conduce a la transformación celular. Los oncogenes específicos se activan en cánceres humanos en particular. Por ejemplo, un oncogén llamado RAS se asocia con muchos cánceres epiteliales, mientras que otro llamado MYC se asocia con leucemias.

Una característica interesante de los oncogenes es que pueden actuar en diferentes niveles correspondientes a los múltiples pasos observados en el desarrollo del cáncer. Algunos oncogenes inmortalizan las células de modo que se dividen indefinidamente, mientras que las células normales mueren después de un número limitado de generaciones. Otros oncogenes transforman las células para que crezcan en ausencia de factores de crecimiento. Una combinación de estas dos funciones conduce a la pérdida del control de la proliferación, mientras que cada una de estas funciones por sí sola no puede. El modo de acción de los oncogenes también proporciona pistas importantes sobre la naturaleza del control del crecimiento y el cáncer. Por ejemplo, se sabe que algunos oncogenes codifican receptores para factores de crecimiento que pueden causar proliferación continua en ausencia de factores de crecimiento apropiados.

La pérdida del control del crecimiento tiene la consecuencia añadida de que las células ya no reparan su ADN de manera eficaz, y por lo tanto se producen mitosis aberrantes. Como resultado, surgen otras mutaciones que subvierten las restricciones normales de una célula para permanecer en su tejido de origen. Las células tumorales epiteliales, por ejemplo, adquieren la capacidad de cruzar la lámina basal y entrar en el torrente sanguíneo o sistema linfático, donde migran a otras partes del cuerpo, un proceso llamado metástasis. Cuando las células metástasis a los tejidos distantes, el tumor se describe como maligno, mientras que antes de la metástasis un tumor se describe como benigno.

TEMAS COMPLEMENTARIOS:

Célula: naturaleza y funciones de las células

Núcleo celular - organización estructural del núcleo celular

Membrana Celular: composición química, estructura y transporte a través de la membrana.

Bibliografía:

Tórtora y Derrickson. Principios de anatomía y fisiología (onceava edición)

https://www.britannica.com

Artículos relacionados

División celular y crecimiento: duplicación del material genético y el ciclo de división celular
4/ 5
Oleh

Suscríbete via email

¿Te gustó el artículo? Suscríbete para recibir las actualizaciones en tu correo electrónico.