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El Ciclo Celular:
A lo largo de toda la vida de las células en la Tierra (3.000 millones de años), el proceso que han llevado a cabo, tanto las primeras células como las de los organismos más evolucionados, no ha sido otra cosa que la duplicación del ADN y la división en células hijas.
Este proceso de duplicación del ADN y de creación de células hijas es un proceso muy complejo y que se ha ido entendiendo poco a poco con el transcurso del tiempo.
La creación de nuevas células, en el caso de organismos unicelulares, da lugar a un nuevo individuo.
La creación de nuevas células, en el caso de los organismos pluricelulares, responde a una serie de señales muy específicas y determinadas, ya que la creación de un organismo pluricelular es muy compleja.
Si bien se producen un gran numero de alteraciones (dependiendo del tipo de animal que estudiemos), en el ciclo celular, existen una serie de caracteristicas que son específicas y universales de todos los ciclos celulares.
Estas características son:
- La replicación del ADN.
- La creación y segregación de ese material genético en células hijas idénticas a su progenitor.
Estas características del Ciclo Celular, la replicación del ADN y la segregación de éste de forma equitativa para dar lugar a células hijas idénticas es un proceso universal y que se ha mantenido a lo largo del tiempo.
Ese proceso se consigue por un mecanismo en el que primero se produce esta duplicación y después la división de la célula y la aparición de dos células, pero para que se lleve a cabo este proceso, tiene que contarse con las condiciones idóneas, sino el ciclo celular se para.
El ciclo celular, por lo tanto es un proceso muy complejo, que cuenta con un gran numero de controles en distintos cuya funcion es:
- Controlan que los procesos hayan finalizado antes de comenzar los siguientes. Existen un gran numero de moléculas controladoras de que la replicación se finalice exitosamente antes de dar lugar a las células hijas.
- Controlan las condiciones externas ambientales o bien las señales de las células vecinas, indiquen que es un momento idóneo para dar lugar a la replicación del ADN.
Esos dos procesos, la finalización de procesos anteriores y el estudio de las condiciones externas son imprescindibles para conocer como se produce el ciclo celular de las células.
Para que se de lugar a células hijas, antes de la replicación del ADN es necesario que la célula esté segura de que se han reproducido todos los orgánulos y las proteínas que van a necesitar las células hijas y ese es un proceso largo y mas complicado que el proceso de replicación en sí.
Existen, por lo tanto, en el ciclo celular de las células eucariotas cuatro procesos importantes:
El crecimiento celular es el desarrollo de todos los orgánulos que van a necesitar las células hijas y de todas las proteinas que tienen que aparecer en las células hijas duplicadas. Una vez que ha sucedido el crecimiento celular de forma exitosa se pasa a la replicación del ADN. En la replicación del ADN, se duplica el ADN. Una vez que está duplicado debe distribuirse, debe segregarse de forma exitosa a cada una de las células hijas y solo en el caso en el que se haya observado y controlado que la segregación cromosómica es perfecta, solo en ese caso, se llevará a cabo la división celular.
Es decir, existen cuatro fases (crecimiento, replicación, distribución y división) y en cada una de estos pasos van a existir unas moléculas que se van a encargar de controlar que los procesos han sido finalizados y las condiciones externas son las adecuadas para evolucionar.
Realmente, todo el proceso del ciclo celular consta de una interfase y de una fase mitótica. Si bien a la fase mitótica es a la que se le suele dar mas importancia, esta fase mitótica es una de las más cortas dentro del ciclo celular.
La fase mitótica se puede observar a microscopía optica.
La replicación del ADN no se produce en la fase mitótica, sino que se produce dentro del resto del ciclo celular que se conoce como interfase. En esta interfase hay un momento concreto que es en el que se produce la replicación del ADN y una vez que esta replicado el ADN se puede iniciar el proceso de mitosis:
Primero se llevará a cabo todo el proceso de distribución y segregación del material cromosómico y una vez que estamos seguros de que cada una de las células hijas tiene idéntico material genético se producirá la citocinesis.
Existe un cambio biquímico abrupto que se conoce desde hace mucho tiempo entre la metafase y la anafase en el que se deben de producir cambios muy importantes en la célula, que dan lugar a la citocinesis.
suceder, si las condiciones son favorables que salga de G1 y comience el proceso de replicación.
Para que suceda eso, debera saltarse un primer punto de control, ese punto en el que se había parado, ese punto de control se denomina punto de restricción (en mamíferos) o start (en levaduras, este punto de restricción se descubrió en dichos organismos).
Habíamos dicho que el ciclo celular era un proceso muy complejo que iba a tener muchos puntos de control. El primer punto de control es este punto de restricción en G1, que se para y mira como son las condiciones. Hasta ese momento el crecimiento celular se produce siempre, la célula crece, va duplicando sus orgánulos y llega al punto de restricción, se para y mira como está la célula y como está el exterior. Si está mal espera en G1 o se mantiene dentro del ciclo estacionario de G0. Si está bien continua. En el momento en que continúa, la célula está dirigida a replicar su ADN.
Si las condiciones externas que lo hicieron favorable desaparecen, el ciclo celular ya no va a parar, este es un punto de no retorno. El punto de restricción estudia las condiciones, en el momento en que considera que las condiciones son adecuadas, continua, aunque desaparezcan posteriormente. Y por lo tanto, se lleva a cabo el proceso de replicación del ADN.
Esas fases del ciclo celular G1, S, G2, M y así consecutivamente son las del ciclo celular normal, pero durante el desarrollo embrionario (en el que se esta produciendo continuamente un ciclo celular) existen situaciones en las que se producen unos ciclos muy rapidos que provocan continuamente la replicación del ADN y la división de la célula, falta el crecimiento de la célula, una duplicacion de los orgánulos, lo unico que se va dupliando es el ADN, esto se descubrio en el embrión de xenopus (en rana), en ellas el ovocito va creciendo, durante muchos meses va aumentando de tamaño, hasta que de repente se hace maduro, se convierte en un óvulo. En el momento en el que es fecundado van a comenzar todos estos ciclos muy rápidos: fase S, fase M, fase S, fase M… y van por lo tanto, ya que lo único que hacen es replicar el ADN y no replican los orgánulos, ni crece la célula, van dando lugar consecutivamente a células cada vez más pequeñas, al final el renacuajo se consigue en unas 48 h. y solo cuando el renacuajo comienza a alimentarse, comienzan a realizarse ciclos normales con crecimiento celular.
Esto solo tiene lugar en procesos embrionarios, en los que lo necesario es crear un gran numero de células de forma rápida.
El ciclo celular fue estudiado desde muchos puntos de vista mediante un gran numero de experimentos, el problema era que en la mitosis, la fase M ,era observable ópticamente y las demás no. Entonces, todo lo que se consideraba la interfase se tardó muchisimo más tiempo en descubrir ya que se necesitaban otras técnicas.
Técnicas que cuando se comenzaron a utilizar permitieron que se supiese que la replicación del ADN se realizaba en la interfase y no en el momento en el que se llevaba a cabo la mitosis.
Para poder estudiar cuando se producia la replicación del ADN, se utilizaron varias técnicas, de las cuales, las dos mas importantes son:
- Timidina Tritiada: La timidina solamente es necesaria en la célula para la replicación del ADN. El experimento consiste en introducir a las células timidina tritiada (tritiada quiere decir radiactiva) y esperar un cierto tiempo, posteriormente, se lavará, de esta manera la timidina que no se haya incorporado a la célula se perderá, despues se revela con una emulsión fotográfica donde la radiactividad precipitara la plata y entonces quedarán puntitos negros en aquellas células que esten llevando a cabo o hayan llevado a cabo (durante el tiempo que se está haciendo el experimento) la replicación del ADN. Este experimento se realizo en células de epitelio erguido.
- Marcaje por medio de anticuerpos: En un cultivo, para ver cuales habían pasado por el proceso replicativo se añadió a la muestra bromodesoxiuridina, la uridina va a ser imprescindible si queremos realizar la replicación del ADN. Solo aquellas células que hayan captado la bormodesoxiuridina son las que han llevado a cabo el proceso de replicación del ADN. Se utilizan anticuerpos marcados con fluorescencia contra el bromo y al utilizar el microscopio de fluorescencia se verán fluorescentes aquellas células que han llevado a cabo la replicación.
De la misma manera que hemos visto que existía un punto de restricción; un punto de control en G1; todas las fases hasta llegar a M, van a ser estudiadas con cuidado para poder encontrar algún fallo, y para ser estudiadas existen, igual que el punto de restricción, momentos de control del ciclo celular en el que se va a parar, va a mirar si los procesos han sucedido bien y si es asi, continua.
Van a existir una serie de puntos de control específicos en unas zonas específicas que ya se conocen, en cada una de esas zonas se van a estudiar dos cosas: lo que sucede dentro y lo que sucede fuera.
Lo que sucede dentro, en la mayor parte de los casos es que si se han finalizado correctamente los procesos anteriores. Aquí lo que se esperaba es que el crecimiento celular fuese el idóneo; es decir, se espera que lo anterior se haya finalizado bien y se miran las condiciones externas, si todo está bien se sigue, si no está bien, se para.
- Inicio o punto de control en G1: Está situado en el punto de restricción. Este punto de restricción es exactamente el mismo en levaduras que en mamíferos, pero tienen nombres distintos (en levaduras “Start” y en mamíferos “punto de restricción”). Lo que se mira en este punto es, fundamentalmente, en el caso
control. Si la alineación es correcta el ciclo celular pasa de metafase a anafase y comienza a separar.
Estos puntos de control tienen que tener algún sistema para detectar los fallos en el ciclo celular. Y la forma de detectar los errores es mediante unas proteínas que aparecen o desaparecen en cada uno de los puntos de control. Esas proteínas de control del ciclo celular están formadas por dos subunidades: una proteína quinasa y por una ciclina.
Va a existir por cada uno de los puntos de control, tres proteínas quinasas distintas y tres ciclinas distintas. Cada proteína quinasa se asociará con su propia ciclina, y siempre y cuando se puedan asociar, eso implica que las condiciones son las adecuadas y se avanza en el ciclo.
En cada punto deben de unirse la quinasa y su ciclina correspondiente. Lo que hace que se pueda pasar el punto de control o no lo indican las ciclinas porque las proteínas quinasas a lo largo de todo el ciclo celular permanecen constante, existen siempre a la espera de las ciclinas, pero las ciclinas solamente se sintetizan si las condiciones son las adecuadas. Si las condiciones no son las adecuadas, no se sintetizan. Una vez que las ciclinas han realizado su función, se degradan y entonces en el siguiente ciclo es necesario sintetizarla otra vez.
Para que la mitosis suceda correctamente, es necesario también que solo se replique una vez y eso no lo controlaba el ciclo celular, sin embargo , resultaba estraño que un proceso de control tan complejo, no contase también con algún sistema de control accesorio para controlar que solo se replicaba una vez el ADN en cada ciclo.
Para comprobar que era cierto, si existia algún control alternativo al numero de veces que se replicaba el ADN, se realizaron experimentos de fusión celular. Se cogio una célula que se encontraba en fase G1 y otra célula que estaba en fase S y se fusionaron. Tras observar qué pasaba se dieron cuenta de que inmediatamente en el momento en el que se pusieron en contacto ambas células, la que estaba en fase G1 saltó a la replicación del ADN, porque la que se encontraba en fase S tenía la ciclina y la que estaba en fase G1 esperaba la ciclina, asi que cogió la ciclina de la célula que tenía la fase S y comenzó.
Pero despues se cogio una célula que se encontraba en fase S y se fusionó con otra que se encontraba en fase G2 y se observó que ocurría. Pero en este caso la que se encontraba en fase G2 seguía en fase G2, no inicaba otra vez el proceso a pesar de tener la ciclina. Tras una serie de estudios posteriores se dieron cuenta de que para que se lleve a cabo la replicacion son necesarias mas moléculas que las proteínas quinasas y las ciclinas. Moléculas que sirven precisamente para impedir que se replique continuamente el ADN.
Se descubrió que en G1 se sintetizan unas proteínas que son las MCM, que se unen al origen de replicación y esperan a que haya ciclina b. Cuando aparece la ciclina b comienzan la replicación y el MCM se degrada. Pero sin este MCM no se puede llevar a cabo la replicación.
Es decir, unimos una célula que se encontraba en fase S, que tenía la ciclina-b, con otra que se encontraba en G2. La ciclina-b de la fase S permitiría llevar a cabo la replicación si no fuese por el pequeño detalle de que la G2 carecía de esa MCM esperando en el origen de replicación.
