Hasta ahora en este capítulo, ha leído numerosas veces la
importancia y prevalencia de la división celular. Si bien hay algunas células
en el cuerpo que no sufren división celular (como gametos, glóbulos rojos, la
mayoría de las neuronas y algunas células musculares), la mayoría de las
células somáticas se dividen regularmente. Una célula somática es un término general para una célula del cuerpo, y
todas las células humanas, a excepción de las células que producen óvulos y
espermatozoides (que se denominan células germinales), son células somáticas.
Las células somáticas contienen dos copias de cada uno de sus cromosomas (una
copia recibida de cada padre). Un par de cromosomas homólogos son las dos copias de un solo cromosoma que se encuentra
en cada célula somática. El ser humano es un organismo diploide, que tiene 23 pares de cromosomas homólogos en cada una de
las células somáticas. La condición de tener pares de cromosomas se conoce como
diploidía.
Las células en el cuerpo se reemplazan a lo largo de la vida
de una persona. Por ejemplo, las células que recubren el tracto
gastrointestinal deben reemplazarse con frecuencia cuando se
"desgastan" constantemente por el movimiento de los alimentos a
través del intestino. Pero, ¿qué provoca que una célula se divida y cómo se
prepara y completa la división celular? El ciclo
celular es la secuencia de eventos en la vida de la célula desde el momento
en que se crea al final de un ciclo anterior de división celular hasta que
luego se divide, generando dos nuevas células.
El ciclo
celular
Un
"giro" o ciclo del ciclo celular consta de dos fases generales: interfase, seguida de mitosis y
citocinesis. La interfase es el período del ciclo celular durante el cual la
célula no se divide. La mayoría de las células están en interfase la mayor
parte del tiempo. La mitosis es la
división del material genético, durante el cual el núcleo celular se descompone
y se forman dos nuevos núcleos completamente funcionales. La citocinesis divide el citoplasma en
dos células distintivas.
Interfase
Una célula crece y realiza todas las funciones y procesos
metabólicos normales en un período llamado G1. La fase G1 (brecha 1 fase) es la primera brecha, o fase de
crecimiento en el ciclo celular. Para las células que se dividirán nuevamente,
G1 es seguido por la replicación del ADN, durante la fase S. La fase S (fase de síntesis) es el período
durante el cual una célula replica su ADN.
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| 1 Ciclo celular: Las dos fases principales del ciclo celular incluyen la mitosis (división celular) y la interfase, cuando la célula crece y realiza todas sus funciones normales. La interfase se subdivide en las fases G1, S y G2. |
Después de la fase de síntesis, la célula avanza a través de
la fase G2. La fase G2 es una
segunda fase de separación, durante la cual la célula continúa creciendo y
realiza las preparaciones necesarias para la mitosis. Entre las fases G1, S y
G2, las células variarán más en su duración de la fase G1. Es aquí donde una
célula puede pasar un par de horas o muchos días. La fase S típicamente dura
entre 8-10 horas y la fase G2 aproximadamente 5 horas. En contraste con estas
fases, la fase G0 es una fase de
reposo del ciclo celular. Se dice que las células que han dejado de dividirse
temporalmente y están descansando (una condición común) y las células que han
dejado de dividirse permanentemente (como las células nerviosas) están en G0.
La estructura de los cromosomas
Miles de millones de células en el cuerpo humano se dividen
todos los días. Durante la fase de síntesis (S, para la síntesis de ADN) de la
interfase, la cantidad de ADN dentro de la célula se duplica con precisión. Por
lo tanto, después de la replicación del ADN pero antes de la división celular,
cada célula contiene dos copias de cada cromosoma. Cada copia del cromosoma se
conoce como una cromátida hermana y
está unida físicamente a la otra copia. El centrómero
es la estructura que une una cromátida hermana a otra. Debido a que una célula
humana tiene 46 cromosomas, durante esta fase, hay 92 cromátidas (46 × 2) en la
célula. Asegúrese de no confundir el concepto de un par de cromátidas (un
cromosoma y su copia exacta adjunta durante la mitosis) y un par de cromosomas
homólogos (dos cromosomas emparejados que se heredaron por separado, uno de
cada padre).
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| Un par de cromosomas homólogos con sus cromátidas hermanas unidas: Los colores rojo y azul corresponden a un par de cromosomas homólogos. Cada miembro de la pareja fue heredado por separado de uno de los padres. Cada cromosoma en el par homólogo también está unido a una cromátida hermana idéntica, que se produce por replicación del ADN y da como resultado la familiar forma de "X". |
La fase mitótica de la célula suele durar entre 1 y 2 horas. Durante esta fase, una célula se somete a dos procesos principales. Primero, completa la mitosis, durante la cual los contenidos del núcleo se separan equitativamente y se distribuyen entre sus dos mitades. Luego se produce citocinesis, que divide el citoplasma y el cuerpo celular en dos nuevas células. La mitosis se divide en cuatro etapas principales que tienen lugar después de la interfase y en el siguiente orden: profase, metafase, anafase y telofase. El proceso es seguido por la citocinesis.
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| División celular: mitosis seguida de citocinesis Las etapas de la división celular supervisan la separación de material genético idéntico en dos nuevos núcleos, seguido de la división del citoplasma. |
La profase es la
primera fase de la mitosis, durante la cual la cromatina suelta se enrolla y se
condensa en cromosomas visibles. Durante la profase, cada cromosoma se hace
visible con su pareja idéntica unida, formando la familiar forma de X de las
cromátidas hermanas. El nucleolo desaparece temprano durante esta fase, y la
envoltura nuclear también se desintegra.
Una ocurrencia importante durante la profase se refiere a
una estructura muy importante que contiene el sitio de origen para el
crecimiento de los microtúbulos. Recordemos las estructuras celulares llamadas
centriolos que sirven como puntos de origen desde los cuales se extienden los
microtúbulos. Estas pequeñas estructuras también juegan un papel muy importante
durante la mitosis. Un centrosoma es
un par de centriolos juntos. La célula contiene dos centrosomas uno al lado del
otro, que comienzan a separarse durante la profase. A medida que los
centrosomas migran a dos lados diferentes de la célula, los microtúbulos
comienzan a extenderse desde cada uno como dedos largos de dos manos que se
extienden uno hacia el otro. El huso
mitótico es la estructura compuesta por los centrosomas y sus microtúbulos
emergentes.
Cerca del final de la profase hay una invasión del área
nuclear por microtúbulos del huso mitótico. La membrana nuclear se ha
desintegrado, y los microtúbulos se unen a los centrómeros que se unen a pares
de cromátidas hermanas. El cinetocoro
es una estructura proteica en el centrómero que es el punto de unión entre el
huso mitótico y las cromátidas hermanas. Esta etapa se conoce como profase
tardía o "prometafase" para indicar la transición entre profase y
metafase.
La metafase es la
segunda etapa de la mitosis. Durante esta etapa, las cromátidas hermanas, con
sus microtúbulos unidos, se alinean a lo largo de un plano lineal en el medio
de la célula. Se forma una placa de metafase entre los centrosomas que ahora se
encuentran en cada extremo de la célula. La placa de metafase es el nombre del plano a través del centro del
huso en el que se colocan las cromátidas hermanas. Los microtúbulos ahora están
listos para separar las cromátidas hermanas y llevar una de cada par a cada
lado de la célula.
La telofase es la
etapa final de la mitosis. La telofase se caracteriza por la formación de dos
nuevos núcleos hijos en cada extremo de la célula en división. Estos núcleos
recién formados rodean el material genético, que se desenrolla de tal manera
que los cromosomas vuelven a la cromatina compacta. Los nucléolos también
reaparecen dentro de los nuevos núcleos, y el huso mitótico se rompe, cada
nueva célula recibe su propio complemento de ADN, orgánulos, membranas y
centriolos. En este punto, la célula ya comienza a dividirse por la mitad a
medida que comienza la citocinesis.
El surco de escisión
es una banda contráctil compuesta de microfilamentos que se forma alrededor de
la línea media de la célula durante la citocinesis. (Recuerde que los
microfilamentos consisten en actina). Esta banda contráctil separa las dos
células hasta que finalmente se separan. Ahora se forman dos nuevas celdas. Una
de estas células (la "célula madre") ingresa a su propio ciclo
celular; capaz de crecer y dividirse nuevamente en algún momento futuro. La
otra célula se transforma en la célula funcional del tejido, reemplazando
típicamente una célula "vieja" allí.
Imagine una célula que completó la mitosis pero nunca se
sometió a citocinesis. En algunos casos, una célula puede dividir su material
genético y crecer en tamaño, pero no puede someterse a citocinesis. Esto da
como resultado células más grandes con más de un núcleo. Por lo general, esta
es una aberración no deseada y puede ser un signo de células cancerosas.
Control del ciclo celular
Un sistema de regulación muy elaborado y preciso controla la
forma en que las células proceden de una fase a la siguiente en el ciclo
celular y comienzan la mitosis. El sistema de control involucra moléculas
dentro de la célula, así como disparadores externos. Estos disparadores de
control interno y externo proporcionan señales de "parada" y
"avance" para la célula. La regulación precisa del ciclo celular es
fundamental para mantener la salud de un organismo, y la pérdida del control
del ciclo celular puede provocar cáncer.
Mecanismos de control del ciclo celular
A medida que la célula avanza a través de su ciclo, cada
fase involucra ciertos procesos que deben completarse antes de que la célula
avance a la siguiente fase. Un punto de
control es un punto en el ciclo celular en el que se puede indicar que el
ciclo avance o se detenga. En cada uno de estos puntos de control, diferentes
variedades de moléculas proporcionan las señales de stop o go, dependiendo de
ciertas condiciones dentro de la célula. Una ciclina es una de las principales clases de moléculas de control
del ciclo celular (Figura 3.33). Una quinasa
dependiente de ciclina (CDK) es uno de un grupo de moléculas que trabajan
junto con ciclinas para determinar la progresión más allá de los puntos de
control de las células. Al interactuar con muchas moléculas adicionales, estos
desencadenantes impulsan el ciclo celular hacia adelante a menos que las
señales de "detención" lo impidan, si por alguna razón la célula no
está lista. En el punto de control G1, la célula debe estar lista para que se
produzca la síntesis de ADN. En el punto de control G2, la célula debe estar
completamente preparada para la mitosis. Incluso durante la mitosis, un punto
de control crucial para detener y avanzar en la metafase asegura que la célula
esté completamente preparada para completar la división celular. El punto de
control de la metafase asegura que todas las cromátidas hermanas estén unidas
adecuadamente a sus respectivos microtúbulos y alineadas en la placa de
metafase antes de que se dé la señal para separarlas durante la anafase.
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| Control del ciclo celular: Las células avanzan a través del ciclo celular bajo el control de una variedad de moléculas, como las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclina. Estas moléculas de control determinan si la célula está preparada o no para pasar a la siguiente etapa. |
El ciclo celular fuera de control: implicaciones
La mayoría de las personas entiende que el cáncer o los
tumores son causados por células anormales que se multiplican continuamente. Si
las células anormales continúan dividiéndose sin detenerse, pueden dañar los
tejidos que las rodean, extenderse a otras partes del cuerpo y eventualmente
provocar la muerte. En las células sanas, los mecanismos de regulación estricta
del ciclo celular evitan que esto suceda, mientras que las fallas en el control
del ciclo celular pueden causar una división celular excesiva y no deseada. Las
fallas de control pueden ser causadas por anormalidades genéticas heredadas que
comprometen la función de ciertas señales de "parar" y
"ir". El insulto ambiental que daña el ADN también puede causar
disfunción en esas señales. A menudo, una combinación de predisposición
genética y factores ambientales conducen al cáncer.
El proceso de una célula que escapa de su sistema de control
normal y se vuelve canceroso en realidad puede ocurrir en todo el cuerpo con
bastante frecuencia. Afortunadamente, ciertas células del sistema inmune son
capaces de reconocer las células que se han vuelto cancerosas y destruirlas.
Sin embargo, en ciertos casos las células cancerosas permanecen sin ser
detectadas y continúan proliferando. Si el tumor resultante no representa una
amenaza para los tejidos circundantes, se dice que es benigno y generalmente se
puede extirpar fácilmente. Si es capaz de dañar, el tumor se considera maligno
y el paciente es diagnosticado con cáncer.
El cáncer surge de los desequilibrios homeostáticos
El cáncer es una condición extremadamente compleja, capaz de
surgir de una amplia variedad de causas genéticas y ambientales. Típicamente,
las mutaciones o aberraciones en el ADN de una célula que comprometen los
sistemas normales de control del ciclo celular conducen a tumores cancerosos.
El control del ciclo celular es un ejemplo de un mecanismo homeostático que
mantiene la función y la salud celular adecuada. Mientras progresa a través de
las fases del ciclo celular, una gran variedad de moléculas intracelulares
proporcionan señales de detención y avance para regular el movimiento hacia la
siguiente fase. Estas señales se mantienen en un equilibrio intrincado para que
la célula solo pase a la siguiente fase cuando esté lista. Este control
homeostático del ciclo celular puede considerarse como el control de crucero de
un automóvil. El control de crucero aplicará continuamente la cantidad justa de
aceleración para mantener la velocidad deseada, a menos que el conductor pise
los frenos, en cuyo caso el automóvil disminuirá la velocidad. Del mismo modo,
la célula incluye mensajeros moleculares, como las ciclinas, que empujan a la
célula hacia adelante en su ciclo.
Además de las ciclinas, una clase de proteínas codificadas
por genes llamados protooncogenes proporcionan señales importantes que regulan
el ciclo celular y lo hacen avanzar. Los ejemplos de productos protooncogénicos
incluyen receptores de la superficie celular para factores de crecimiento, o
moléculas de señalización celular, dos clases de moléculas que pueden promover
la replicación del ADN y la división celular. En contraste, una segunda clase
de genes conocidos como genes supresores de tumores envía señales de parada
durante un ciclo celular. Por ejemplo, ciertos productos proteicos de genes
supresores de tumores señalan problemas potenciales con el ADN y, por lo tanto,
impiden que la célula se divida, mientras que otras proteínas le indican a la
célula que muera si se daña irremediablemente. Algunas proteínas supresoras de
tumores también señalan una densidad celular circundante suficiente, lo que
indica que la célula no necesita dividirse actualmente. La última función es
especialmente importante para prevenir el crecimiento tumoral: las células
normales exhiben un fenómeno llamado "inhibición de contacto"; así,
el contacto celular extenso con células vecinas provoca una señal que detiene
la división celular adicional.
Estas dos clases de genes contrastantes, protooncogenes y
genes supresores de tumores, son como el acelerador y el pedal de freno del
propio "sistema de control de crucero" de la célula, respectivamente.
En condiciones normales, estas señales de parada y marcha se mantienen en un
equilibrio homeostático. En términos generales, hay dos formas en que el
control de crucero de la celda puede perder el control: un acelerador que
funciona mal (hiperactivo) o un freno que funciona mal (poco activo). Cuando se
compromete a través de una mutación, o se altera de otro modo, los
protooncogenes pueden convertirse en oncogenes, que producen oncoproteínas que
impulsan a la célula hacia adelante en su ciclo y estimulan la división
celular, incluso cuando no es deseable hacerlo. Por ejemplo, una célula que
debería programarse para autodestruirse (un proceso llamado apoptosis) debido a
un daño extenso en el ADN podría ser activada por una oncoproteína para que
prolifere. Por otro lado, un gen supresor tumoral disfuncional puede no
proporcionar a la célula una señal de parada necesaria, lo que también resulta
en una división y proliferación celular no deseada.
Un delicado equilibrio homeostático entre los muchos
protooncogenes y genes supresores de tumores controla delicadamente el ciclo
celular y asegura que solo las células sanas se repliquen. Por lo tanto, una
interrupción de este equilibrio homeostático puede causar división celular
aberrante y crecimientos cancerosos.
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