MACHETE 7 Ciclo celular Duplicación del ADN(1) Biología UBA XXI

Vista previa del material en texto

UNIDAD 4: LA CONTINUIDAD DE LA VIDA 
CICLO CELULAR 
 
El ciclo celular y sus etapas 
 
El ciclo celular consiste en una serie de eventos por los que pasa una célula a lo largo de su vida. 
El ciclo se divide en dos grandes etapas: la ​interfase ​(el período de mayor duración) y la ​división 
celular ​(el período más breve). Como la interfase es bastante larga, se la subdivide según sus 
características en tres fases consecutivas: G1, S y G2. La Figura 1 representa el ciclo celular y sus 
etapas. Como toda representación de ciclo, empieza y termina en el mismo estadío: la célula que inicia 
su ciclo luego de ser fruto de una división celular. 
Figura 1. Ciclo celular y sus etapas: interfase y división celular. La división celular comprende las 
etapas G1, S y G2. 
 
¿Qué ocurre en cada una de las etapas del ciclo celular? 
 
Interfase 
Es una etapa durante la cual la célula se preparará para una futura división. Durante la división la 
célula deberá “repartir” todos sus componentes entre sus futuras células hijas (citoplasma, ADN). 
Pero, para repartir, es necesario previamente multiplicar… 
G1 
Es la fase con la que comienza todo ciclo celular. En este momento, la célula aumenta su masa 
citoplasmática, o sea que la célula aumenta de tamaño. Todo esto implica la síntesis de nuevas 
 
 
organelas y demás estructuras. Es un período metabólicamente muy activo para la célula, con intensa 
transcripción y traducción de gran variedad de proteínas. Hacia el final de esta fase la célula ya 
alcanzó el tamaño promedio para ese tipo celular, que puede variar según el tipo. 
S 
Fase destinada exclusivamente para la duplicación del ADN. También en esta fase hay además 
transcripción y traducción pero de un sólo tipo de proteínas: las histonas. 
G2 
Es la fase previa a la división celular. Es la etapa de preparación para la división ya que en este 
período se sintetizan proteínas relacionadas con la división celular. También hay entonces 
transcripción y traducción pero en este caso de proteínas necesarias para la división celular. 
Una vez que una célula pasa de la fase G1 a S, seguirá un camino irreversible hacia la división celular. 
Pero, hay algunas células que no se dividen. Son células que permanecen en G1 y nunca pasan a S. 
Decimos que estas células están en G0 o que están fuera del ciclo. ​Por ejemplo, las neuronas 
permanecen luego de la maduración del tejido nervioso, en la etapa G0. 
A continuación, se presenta un ​audio sobre ciclo celular. 
 
División mitótica 
En este período, que es bastante breve, la célula repartirá todo lo sintetizado a lo largo de la interfase 
entre sus células hijas. El resultado final serán esas células hijas, cada una de las cuales comenzará 
su propio ciclo celular. Cuando una célula entra en división, lo primero que se observa es que la 
cromatina experimenta cambios progresivos y rápidos: se condensa lo máximo posible, y se hacen 
visibles los cromosomas. 
A continuación, se presentan tres audios: uno sobre ​cromosoma​, otro sobre ​cromatina​ y otro sobre 
cromatide​. 
 
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/cell_cycle.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/chromosome.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/chromatin.mp3
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/chromatid.mp3
 
 
Fases del ciclo celular 
 
Figura 2. Estado del ADN en cada una de las etapas del ciclo celular. 
En la Figura 2 se observa que durante la interfase (G1, S, y G2) las moléculas de ADN están 
relativamente laxas. Es importante notar que en G1 el cromosoma presenta una sola cromátide, en S 
ya tiene 2 cromátides (porque el ADN se duplicó), en G2 cada cromosoma tiene dos cromátides y, en 
división, esas cromátides se condensan al máximo. Es decir que, a lo largo del ciclo celular, la 
cantidad de cromátides por cromosoma cambia y, también, cambia el grado de condensación de esas 
cromátides. Veamos un ejemplo: 
Supongamos que tenemos una célula con 4 cromosomas, pensemos cuántos cromosomas hay y 
cuántas cromátides o moléculas de ADN hay en distintos momentos de la interfase. 
 
Etapas de la interfase Cantidad de cromosomas Cantidad de cromátides 
G1 4 4 (cada cromosoma tiene una cromátide) 
S 4 8 (cada cromosoma tiene 2 cromátides) 
G2 4 8 (cada cromosoma tiene 2 cromátides) 
Figura 3. Cantidad de cromosomas y de cromátides en cada una de las etapas de la interfase. 
El mismo razonamiento se aplicará a la división celular y sus distintas fases. La clave está en conocer 
en los distintos momentos del ciclo celular “qué aspecto” tienen los cromosomas, es decir, si tienen 
una cromátide o dos cromátides y recordar que una cromátide es una molécula de ADN. 
A continuación, se presenta un ​audio sobre la molécula de ADN​. 
 
Regulación o control del ciclo celular 
 
La transición entre una fase y la siguiente implica un mecanismo de control del ciclo celular, de modo 
que una vez que se cumplió con todo lo que debe ocurrir en una fase, se pasa a la siguiente. El 
https://www.genome.gov/sites/default/files/media/audio/2019-03/dna_es.mp3
 
 
mecanismo de control es bastante sencillo. Lo veremos primero en general y luego los ejemplos 
concretos. 
 
La regulación del ciclo celular está dada por un ​complejo regulador​, que tiene dos componentes: 
 
● parte reguladora, ejercida por unas proteínas llamadas ​ciclinas​. Tienen la particularidad de 
que su concentración varía a lo largo del ciclo. Aumenta hasta llegar a un máximo y luego su 
concentración disminuye nuevamente. 
● parte catalítica, ejercida por unas enzimas llamadas ​quinasas ​(que agregan fosfatos a distintos 
sustratos, proceso denominado fosforilación). Su concentración es constante a lo largo del 
ciclo. Estas enzimas solamente se activan cuando la concentración de ciclinas alcanza un valor 
máximo. Por debajo de ese valor, las quinasas se inactivarán. 
¿Cómo se da la regulación, o transición de una fase a la siguiente? 
A lo largo de la fase en cuestión, la concentración de ciclinas va aumentando hasta alcanzar un valor 
máximo. Es entonces cuando la quinasa correspondiente se activa. En este momento está constituido 
el complejo regulador. La fosforilación que hará la quinasa es lo que permite el paso a la fase 
siguiente. En síntesis, las ciclinas indican cuándo es el momento de pasar a otra fase del ciclo y las 
quinasas son las que “ejecutan” permitiendo con su accionar el pasaje a esa otra fase. 
 
Pasemos ahora a dos ejemplos concretos en la regulación del ciclo celular: la transición entre G1 y S y 
la transición entre G2 y la división. 
 
Transición entre G1 y S 
 
En el transcurso de G1, la concentración de ciclina, en este caso la ​ciclina G1, ​va aumentando 
paulatinamente hasta alcanzar un valor máximo. Se activa entonces la quinasa correspondiente 
llamada ​CDK2​. Se constituye así el complejo regulador llamado ​FPS ​(factor promotor de la fase S o de 
síntesis). La quinasa fosforila a compuestos relacionados con la duplicación del ADN. Se ha pasado 
entonces de G1 a la fase S. 
 
Transición entre G2 y división 
 
En el transcurso de G2, la concentración de la ​ciclina M ​(ciclina mitótica)​ ​va aumentando hasta 
alcanzar un valor máximo. Se activa entonces la quinasa correspondiente llamada ​CDK1​. Se 
constituye de este modo el complejo regulador llamado ​FPM ​(factor promotor de la fase M o mitosis). 
La quinasa fosforila por un lado, a la lámina nuclear, lo que conduce a que la envoltura nuclear se 
desorganice. Por otro lado, fosforila a la histona 1, lo que desencadena la rápida compactación del 
ADN hasta el estado de máxima condensación que llamamos cromosoma. La desorganización de la 
envoltura nuclear y la progresiva condensación del ADN son sucesos propios de la división celular, es 
decir que se ha pasado entonces de G2 a la fase de división. 
 
 
Figura 4. Enzimas reguladoras (ciclinas) en cada etapa del ciclo celular. 
La duplicación del ADN 
¿Por qué una céluladuplica su ADN? Como en algún momento esa célula se va a dividir, deberá 
repartir equitativamente entre sus células hijas el ADN. Esto solamente es posible, si todo el ADN de la 
célula progenitora se duplica completamente. 
A continuación, se presenta un ​audio​ sobre duplicación de ADN 
 
Características de la duplicación o replicación del ADN 
La duplicación del ADN es semiconservativa 
Cuando el ADN se duplica, las dos hebras se separan y cada una sirve como molde para la síntesis de 
dos cadenas nuevas. La duplicación es semiconservativa porque cada una de las moléculas hijas 
conserva de la hebra original una cadena (la que está en color más claro) y la otra es totalmente 
nueva (la hebra más oscura). 
Figura 5. ADN molde y las hebras hijas resultantes. 
 
La duplicación del ADN es bidireccional 
A partir del punto en que las cadenas del ADN se separan (​origen de replicación u ORI​), la 
separación de las hebras se da en dos direcciones y hacia esas dos direcciones se va a producir la 
https://www.genome.gov/sites/default/files/tg/es/narration/dna_replication.mp3
 
 
duplicación (señalada por las dos flechas inferiores). El lugar donde las hebras ya se separaron es la 
burbuja de replicación, ​que podemos dividirla en dos mitades: cada una es una ​horquilla de 
replicación​. 
Figura 6. Burbuja de replicación en hebra de ADN. Da origen a dos horquillas de replicación, una en 
cada dirección. 
La duplicación del ADN es discontinua (o semidiscontinua) 
En cada horquilla, una de las hebras nuevas se sintetiza en forma continua y la otra hebra nueva en 
forma discontinua porque está formada por pequeños fragmentos (en el esquema de la Figura 6 esto 
se ve en la parte inferior con el nombre de hebra continua y hebra discontinua). 
La duplicación del ADN es asimétrica (en horquilla) 
Si miramos en el mismo esquema la burbuja de replicación y sus dos horquillas, vemos que ambas 
horquillas son asimétricas en cuanto a la ubicación de las cadenas continuas y discontinuas en cada 
una de ellas. 
El proceso de duplicación del ADN 
 
La enzima responsable de sintetizar las hebras nuevas es la ​ADN polimerasa​, que se caracteriza 
porque: 
● lee la hebra molde siempre en dirección 3´ a 5´ (esto suele denominarse 3 “prima” a 5 “prima”) 
● sintetiza las hebras nuevas siempre en dirección 5´ 3´ 
● necesita para comenzar la síntesis la presencia de un cebador o ​primer ​(corta secuencia de 
nucleótidos de ARN). 
Duplicación del ADN en una horquilla de replicación. En la Figura 7 se observan ​los sectores donde el 
ADN se sintetiza en forma continua y discontinua.​ ​Las etapas son: 
 
 
Figura 7. Duplicación del ADN: horquilla de replicación y las enzimas que intervienen. 
1. Una enzima es la responsable de reconocer el origen de replicación y a partir de allí 
comenzará a separar las dos cadenas del ADN rompiendo los puentes de hidrógeno entre 
ellas, es la ​helicasa ​(la flecha que se encuentra en el esquema está señalando la dirección en 
que la helicasa se va desplazando). 
2. A medida que la helicasa va separando las hebras, “por delante de ella”, es decir, en el sector 
de ADN aún sin separar, se van generando superenrollamientos o torsiones (algo así como 
“nudos”) que impiden que la helicasa continúe con la apertura. Esos superenrollamientos son 
solucionados por otra enzima: la ​topoisomerasa ​o ​girasa. ​De este modo, la apertura de las 
hebras puede continuar. 
3. A los sectores de cadenas recién separadas, se les unen ciertas proteínas llamadas ​SSBP ​que 
evitan que las hebras recientemente separadas vuelvan a juntarse, ya que es necesario que 
permanezcan separadas para que progrese la duplicación. 
4. Ya están las hebras separadas y continúan separándose. Ahora deberán sintetizarse las 
hebras nuevas. Para ello, previamente, deberán sintetizarse los ​cebadores ​o ​primers 
(secuencias en verde en el esquema). De eso se ocupa la enzima ​primasa​. Ya, entonces, 
están listas las condiciones para que la ADN polimerasa sintetice las hebras nuevas. 
5. Por el modo de trabajo de la ​ADN polimerasa ​(leer siempre el molde en dirección 3´5´y 
sintetizar la hebra nueva siempre en dirección 5´3´), una de las hebras nuevas es sintetizada 
en forma continua (la hebra continua, líder o adelantada) que en el esquema es la hebra de 
color rojo en la parte superior. Notar que esa hebra va creciendo en el mismo sentido en que 
se van abriendo las cadenas del ADN (hay una flecha en el extremo de la cadena continua que 
señala esto). 
La otra hebra hija se sintetiza en forma de pequeños fragmentos: los ​fragmentos de Okasaki. 
Cada uno de ellos necesita un cebador. Cada uno de los fragmentos (secuencias en rojo en la 
 
 
parte inferior del esquema) tiene una flecha que señala que esta hebra discontinua (o 
rezagada) crece en sentido contrario a la apertura de las cadenas de ADN. 
 
¿Por qué en una misma horquilla una hebra se sintetiza en forma continua (creciendo en el 
mismo sentido de la apertura de las hebras) y la otra en forma discontinua (creciendo en 
sentido contrario a la apertura de las hebras)? 
Porque la ADN polimerasa siempre trabaja leyendo el molde en dirección 3´5´y sintetiza en dirección 
5´3 
 
Figura 8. Síntesis de la hebra discontinua. La enzima “ligasa” une todos los fragmentos de Okasaki. 
6. Una vez que se terminan de sintetizar ambas hebras hijas, el cebador de la cadena continua y 
los varios cebadores de la cadena discontinua son eliminados (porque son ARN) y 
reemplazados por nucleótidos de ADN. Esto lo hace la ADN polimerasa. 
7. Finalmente la enzima ​ligasa ​se encarga de unir todos los fragmentos de la cadena discontinua. 
 
Para terminar, integremos en forma simplificada en un esquema lo que ocurre en las dos horquillas de 
una burbuja de replicación tal como lo expresa la Figura 9: 
En primer lugar, ​la replicación siempre comienza en los sitios de origen en cada cromosoma. En ellos, 
el ADN presenta secuencias especiales de nucleótidos. Cabe destacar, que las células eucariontes 
disponen de múltiples sitios de origen de replicación en cada cromosoma. 
Por otro lado, una de las características de las ADN-polimerasas es que sólo pueden actuar en 
dirección 5’ 3’, por agregado de nucleótidos en el extremo 3’ de las cadenas nuevas. A medida que se 
 
 
separan las cadenas progenitoras en la horquilla de replicación, una presenta sus nucleótidos en 
dirección 5’ 3’ y la otra en dirección 3’ 5’. De manera que la primera al ser copiada debería formar una 
cadena hija en sentido 3’ 5’, algo que las polimerasas no pueden hacer. 
Las células “solucionan” esta situación utilizando estrategias distintas en la construcción de cada una 
de las nuevas cadenas. La cadena hija que se formó en dirección 5' 3’ se construye en forma 
contínua mediante el agregado de nucleótidos en el extremo 3’ a medida que avanza la horquilla de 
replicación. En cambio la otra cadena hija es sintetizada de manera discontínua, en pequeños tramos, 
llamados fragmentos de Okazaki, los cuales se unen entre sí a medida que se sintetizan, por acción 
de la enzima ​ADN-ligasa. 
 
 
 
Figura 9. Burbuja de replicación. Hebras líder, continuas o adelantadas y hebras rezagadas o 
discontinuas.