EL CICLO CELULAR

La célula es la unidad estructural, funcional y reproductora de los seres vivos. Todos los seres vivos estamos formados por una o más células. Las células nacen a partir de otras preexistentes, crecen, y por lo general, se multiplican para originar nuevas células.
Los organismos pluricelulares están formados por multitud de células especializadas. Cuando necesitan sustituir células dañadas o envejecidas, se generan otras nuevas mediante división celular.
La división celular se produce a lo largo de toda la vida de los seres pluricelulares, pero la capacidad de proliferación depende del tipo de célula y de la edad del organismo.
El ciclo de vida de una célula o ciclo celular implica una serie de acontecimientos ordenada y regulada. Uno de los procesos fundamentales de la división celular es la duplicación del material genético (ADN) y el reparto equitativo del mismo entre las células hijas. El descontrol del ciclo celular puede llevar a la proliferación desordenada de células transformadas que se convierten en tumorales, y que originan diversos tipos de cáncer.

1. ETAPAS DEL CICLO CELULAR
En la reproducción celular, a partir de una célula se obtienen dos o más células hijas. Durante la reproducción, la célula debe transmitir su información genética a las células hijas.

A pesar de las diferencias entre los distintos tipos de reproducción celular, esta implica siempre tres procesos básicos:

• Replicación del ADN con el fin de obtener una copia exacta.
• Separar al ADN original y la copia.
• Dividir el citoplasma, de modo que las células resultantes lleven la información genética completa.

Ciclo celular de las células eucariotas
Se conoce como ciclo celular a la secuencia cíclica de etapas por las que pasa la vida de una célula con capacidad para dividirse y originar nuevas células. En las células eucariotas, consta de dos fases fundamentales: la interfase y la fase M.
Interfase: Es el periodo comprendido entre dos divisiones sucesivas, durante el cual la célula crece, replica su ADN y se prepara para la siguiente división. Consta de tres etapas: G1, S y G2.

2. EL ADN DURANTE EL CICLO CELULAR: CROMATINA Y CROMOSOMAS

Durante la Interfase, en el núcleo de las células eucariotas, el ADN está asociado a proteínas y forma la cromatina.
Las proteínas que forman parte de la cromatina pertenecen a 2 grupos: histonas y no histonas.
Histonas: Las más abundantes en el material genético de eucariotas. Se trata de proteínas básicas, con numerosas cargas positivas, lo que facilita que se asocien mediante interacciones electrostáticas a los grupos fosfato de las moléculas de ADN. Su función principal es estabilizar la estructura del ADN. Su función principal es estabilizar la estructura del ADN.
Hay 5 tipos de histonas: H2A, H2B, H3, H4 y H1.
No histonas: Menos abundantes y más variables. Algunas pueden tener función estructural, pero también están presentes proteínas con otras funciones como las implicadas en la replicación y transcripción del ADN.

Niveles de condensación del ADN nuclear eucariota
En la cromatina se observan diferentes grados de empaquetamiento. El máximo grado de empaquetamiento se alcanza durante la división celular, que origina los cromosomas.
La condensación del ADN desde la cromatina al cromosoma ocurre de modo gradual durante la fase G2 del ciclo celular, mientras que la descondensación de los cromosomas da comienzo al final de la fase M y continúa en la fase G1, hasta alcanzar de nuevo la condición que permite la replicación del ADN durante la fase S.
A. Nucleosomas y fibras en collas de perlas
El nucleosoma es la unidad básica de la cromatina. Está constituido por un octámero de histonas alrededor del cual hay dos vueltas de ADN; además de la histona H1, que se sitúa en el exterior sellando el empaquetamiento.
Las largas moléculas de ADN rodean sucesivos nucleosomas, de tal modo que se forma una cadena de nucleosomas conocida como estructura en collar de perlas, que conforma una fibra de 10 nm de grosor, en la que cada perla representa un nucleosoma y el ADN equivaldría al hilo del collar. La porción de ADN que hay entre dos nucleosomas se denomina ADN espaciador.
B. Solenoide o fibra elemental de cromatina en interfase
La fibra de 10nm en enrolla para originar una forma más condensada denominada solenoide que alcanza los 30 nm de grosor. En cada vuelta del solenoide hay algo más de 6 nucleosomas. Las histonas H1 pueden quedar en el interior de los solenoides contribuyendo a su formación. Esta es la forma más condensada de la cromatina durante la interfase, es decir, conforma la fibra elemental de cromatina.

C. Eucromatina y heterocromatina
La cromatina del núcleo interfásico presenta diversos grados de condensación. La fibra elemental se pliega formando lazos y superenrollamientos con las histonas como esqueleto central, en sucesivos niveles de empaquetamiento. La distinta densidad de condensación origina dos tipos de cromatina que coexisten durante la interfase: la eucromatina y la heterocromatina, cuyas diferencias se muestran a continuación:

Hay dos tipos de heterocromatina: constitutiva y facultativa:

Al final de la fase S, ants de que comience la división de la célula, toda la cromatina adquiere la forma de heterocromatina que, seguidamente, continuará el proceso de condensación hasta originar los cromosomas.
D. El cromosoma metafásico
Como resultado de la replicación de ADN durante la fase S del ciclo celular, en el momento en que se hacen visibles los cromosomas, al inicio de la división celular, estos aparecen formados por 2 cromátidas hermanas, copias idénticas de ADN.
Aunque la formación de los cromosomas ya se aprecia en la profase, es en la metafase cuando alcanzan su máximo grado de condensación y son perfectamente observables al microscopio óptico.
El centrómero o constricción primaria se aprecia como un estrechamiento por el cual permanecen unidas la cromátidas hermanas.
Los cinetocoros son estructuras situadas a ambos lados del centrómero y a las cuales se unen las fibras del huso acromático o humo mitótico, responsables del desplazamiento de los cromosomas durante la división celular.
Los brazos son las dos partes en las que el centrómero divide la cromátida.
Los telómeros, regiones terminales de los cromosomas, contienen secuencias repetitivas de ADN. Cada vez que el ADN se replica, su longitud se acorta algunas unidades. Gracias a los telómeros este acortamiento no tiene mayores consecuencias. También participan en la estabilización del cromosoma.
Las bandas surgen al aplicar diferentes técnicas de tinción. Los patrones de bandas de cada cromosoma son prácticamente idénticos en todas las células de un individuo, pero pueden variar de un individuo a otro.

El cariotipo
El término cariotipo hace referencia a la dotación cromosómica de una célula, individuo o especie. Se conoce como ploidía al número de juegos completos de cromosomas que posee una célula.
Cada especie tiene en sus células un número de cromosomas característico, aunque especies similares pueden tener cariotipos muy diferentes.
Por ejemplo, el cariotipo de las células somáticas humanas está formado por 23 parejas de cromosomas.
Cada pareja está constituida por dos cromosomas homólogos.
Los cromosomas homólogos son aquellos que portan información para los mismos carácteres, es decir, los mismos genes, pero la información contenida en cada gen no es idéntica, puesto que, en cada pareja de homólogos, uno de los cromosomas es de origen paterno y otro materno.
Los alelos son las variantes que puede presentar un gen. Los cromosomas tienen los mismos genes, pero pueden portar diferentes alelos de cada gen. Los cromosomas homólogos tienen los mismos genes, pero pueden portar diferentes alelos de cada gen.
Dentro del cariotipo humano distinguimos dos tipos de cromosomas:

• Cromosomas sexuales: su número, presencia o ausencia determina el sexo del individuo. Son los cromosomas X e Y.
• Autosomas: son los cromosomas no sexuales, comunes a ambos sexos; las restantes 22 parejas.

En la especie humana, como en muchas otras con reproducción sexual, los individuos poseen dos tipos de células en relación con el número de cromosomas:

• Células somáticas diploides, con dos dotaciones cromosómicas (2n).
• Gametos haploides (óvulos y espermatozoides), con una única dotación cromosómica (n).

Durante la fecundación, se unen un óvulo y un espematozoide haploides para formar un cigoto diploide, a partir del cual se originan células somáticas diploides por mitosis sucesivas.

3. LA DIVISIÓN CELULAR O FASE M
En las células eucariotas, la división celular comprende la mitosis, la cariocinesis o división del núcleo, y la citocinesis, o división del citoplasma.
Durante la mitosis, se realiza la separación de los cromosomas y sus copias, con el fin de obtener células hijas con idéntico material genético e idéntico al de la célula original.
Comprende cuatro fases: profase, metafase, anafase y telofase.

PROFASE

• La cromatina se condensa hasta hacer visibles los cromosomas, formados por dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero.
• Deja de verse el nucléolo, puesto que la cromatina que lo constituía pasa a formar parte de los satélites de los cromosomas.
• En las células animales, los centrosomas duplicados durante la fase S, se desplazan hacia polos opuestos de la célula. entre ellos, se organizan los microtúbulos del citoesqueleto, que forman el huso mitótico o acromático. Las células vegetales carecen de centrosoma, los microtúbulos se organizan a partir de densas situadas cerca del núcleo. Por este motivo se dice que las células animales tienen mitosis astrales y las vegetales, mitosis anastrales.
• Comienza a desaparecer la envoltura nuclear.
• Al desaparecer la envoltura nuclear, microtúbulos del huso se unen a cinetocoros de los cromosomas (en ocasiones, estos últimos acontecimientos se engloban en una PROMETAFASE).

METAFASE

• Los cromosomas alcanzan el máximo grado de condensación y son arrastrados por los microtúbulos del huso mitótico hacian el ecuador de la célula, donde se alinean formando la denominada placa metafásica.

ANAFASE

• Comienza con la duplicación de los centrómeros y la separación de las cromátidas hermanas. Cada cromátida, liberada de su copia, constituye un cromosoma completo.
• Los filamentos del huso, unidos a los cinetocoros, se acortan y arrastran a las cromátidas hermanas hacia polos opuestos de la célula.

TELOFASE

• En cada extremo de la célula, hay un juego completo de cromosomas, alrededor de los cuales se organiza de nuevo la envoltura nuclear, que forma dos núcleos hijos idénticos.
• Desaparece el huso mitótico y los cromosomas comienzan a descondensarse.

Una vez que se divida el citoplasma, se originarán dos células hijas con idéntica dotación cromosómica e idénticas a las células madre.

Citocitesis: la división del citoplasma
Durante la telofase o una vez terminada la mitosis, comienza la división del citoplasma. El mecanismo es diferente en células animales y vegetales debido a la existencia en estas de pared celular.

En los seres unicelulares, la división de la célula implica la reproducción asexual del organismo. En función del modo en que se realice esta división, se diferencian tres tipos de reproducción asexual:

4. MEIOSIS
La meiosis puede definirse como la forma de división del núcleo celular que, partiendo de células diploides (2n), permite obtener células haploides (n) con diferentes combinaciones de genes. Está presente en todos los organismos con reproducción sexual.
Las formas de reproducción de los seres vivos pueden clasificarse en asexual y sexual. En la primera, interviene un único individuo que hace copias de sí mismo, mientras que, en la reproducción sexual, dos células especializadas, los gametos, se unen para formar una nueva célula, el cigoto.
Etapas de la meiosis
En la meiosis tienen lugar dos divisiones sucesivas:

1ª DIVISIÓN DE MEIOSIS

• Profase I
  • Se hacen visibles los cromosomas, cada uno de ellos con dos cromátidas hermanas, pues se ha duplicado el ADN durante la fase S de la interfase.
  • Las parejas de homólogos se alinean y se entrecruzan cromátidas homólogas. Las zonas de entrecruzamiento se denominan quiasmas.
  • Durante el entrecruzamiento, un fragmento de una cromátida puede separarse e intercambiarse por otro fragmento de su correspondiente homóloga, fenómeno conocdio como recombinación.
  • Los cromosomas homólogos permanecen unidos a nivel los quiasmas.
  • Desaparece la envoltura nuclear, los centrosomas se desplazan a polos opuestos y se forma el huso acromático.

• Metafase I
  • Las parejas de homólogos, todavía unidos por los quiasmas, se sitúan en el ecuador de la célula, unidos a los microtúbulos del huso. Se colocan por parejas de homólogos.

• Anafase I
  • Se prepara cada cromosoma de su homólogo hacia extremos opuestos de la célula. Cada cromosoma lleva todavía dos cromátidas, pero ya no son idénticas debido a que una de ellas ha podido intercambiar fragmentos con una cromátida homóloga.

• Telofase I
  • Se forman dos núcleos, cada uno con un juego de cromosomas. Cada cromosoma tiene dos cromátidas que ya no son genéticamente idénticas.

En la primera división de la meiosis, han tenido lugar dos acontecimientos de gran importancia biológica:

• La recombinación entre cromátidas homólogas, que origina cromosomas con nuevas combinaciones de genes.
• La reducción a la mitad del número de cromosomas de cada célula, de modo que se obtienen dos células haploides.

Generalmente, al final de esta primera división, tiene lugar la citocinesis.

Las dos células resultantes de la primera división meiótica experimentan a continuación una segunda división, semejante a una mitosis, sin que entre ambas divisiones se produzca una nueva replicación del ADN.

2ª DIVISIÓN DE LA MEIOSIS

• Profase II
  • Los dos núcleos presentan n cromosomas. Se duplican los centrosomas y se forman los husos mitóticos. Desaparecen las envolturas nucleares.

• Metafase II
  • Los cromosomas se sitúan en el ecuador de la célula unidos a los microtúbulos del huso mitótico.

• Anafase II
  • Las cromátidas hermanas, que permanecían unidas en los centrómeros, se separan hacia los polos opuestos de las células después de que ocurre la duplicación de los centrómeros

• Telofase II
  • Reaparecen las envolturas nucleares. Se obtienen cuatro núcleos haploides distintos entre sí.

Después de la citocinesis, se habrán originando cuatro células haploides genéticamente distintas.

Significado biológico de la meiosis
Como hemos visto, la meiosis no es simplemente una alternativa la mitosis, sino que se trata de un tipo de división celular con objetivos muy distintos.
A. Objetivos de la meiosis
Reducción a la mitad del número de cromosomas: células diploides originan células haploides. La meiosis resulta imprescindible para las especies con reproducción sexual al mantener constante el número de cromosomas de la especie en cada generación que, de otro modo, se duplicaría en el proceso de fecundación.
Incremento de la variabilidad genética: origina nuevas combinaciones de genes. La meiosis aporta variabilidad genética debido a dos proceso:

• Sobrecruzamiento y recombinación entre cromosomas homólogos.
• Segregación al azar de los cromosomas paternos y maternos en la anafase.

Como consecuencia, cada una de las cuatro células haploides obtenidas al final de la meiosis es genéticamente diferente a las demás.
En la producción de gametos, óvulos y espermatozoides, a partir de células germinales diploides y genéticamente idénticas, cada meiosis originará gametos distintos.
La unión al azar de los gametos durante la fecundación produce individuos con diferentes dotaciones génicas, que contribuye al aumento de la diversidad genética de las especies.
La siguiente tabla recoge las principales diferencias entre mitosis y meiosis:

B. Meiosis y ciclos biológicos
Existen diferentes ciclos en función del momento en que se produce la meiosis y la fecundación, así como el tiempo de separa ambos procesos.

Ciclo haplonte
La fecundación va seguida de la meiosis del cigoto. La fase diploide queda reducida al cigoto, única célula 2n del organismo. Los gametos se forman por mitosis.
Numerosos protistas y hongos son haploides durante la mayor parte de su ciclo vital.

Ciclo diplohaplonte
La meiosis y la fecundación están distanciadas en el tiempo.

Ciclo diplonte
La meiosis origina gametos, que son las únicas células haploides del organismo. La fecundación se produce inmediatamente después de la meiosis. El individuo adulto es diploide.
Es el ciclo de vida típico de la mayoría de los animales y del ser humano entre ellos. Cada uno de nosotros es un organismo diploide; las únicas etapas haploides son los espermatozoides y los óvulos.

C. Meiosis y evolución
En el siglo XX, diversos científicos integraron los nuevos conocimientos de genética en las teorías evolutivas; surge así la teoría sintética de la evolución o neodarwinismo, que considera la evolución como un cambio acumulativo e irreversible de las proporciones de los diferentes alelos de los genes en las poblaciones. La unidad evolutiva es la población, un grupo de individuos de la misma especie que coinciden en el espacio y tiempo, y se reproducen entre sí. Esta variabilidad se ve sometida a las presiones de la selección natural de la deriva genética (azar). Como consecuencia, las especies evolucionan.
En las poblaciones existe variabilidad genética: diferentes alelos y diferentes combinaciones de ellos (genotipos). Las fuentes de variabilidad genética son, fundamentalmente, dos:

• Las mutaciones son las responsables de la aparición de nuevos alelos.
• La reproducción sexual, a través de la meiosis y la unión al azar de los gametos, origina diferentes combinaciones de alelos, es decir, diferentes genotipos.

5. EL CONTROL DEL CICLO CELULAR
Constantemente se pierden células que ha de ser repuestas. La homeostasis o estado de equilibrio del organismo requiere de la existencia de mecanismos de regulación de la proliferación celular. Han de equilibrarse los procesos de proliferación celular, diferenciación y muerte celular.
Una vez que se diferencian, las células pueden adoptar diferentes comportamientos respecto al ciclo celular:

• Algunas células conservan la capacidad de dividirse durante toda su vida, como pasa con las células hematopoyéticas.
• Otras células dejan de dividirse durante un tiempo, pero mantienen la capacidad de activar el ciclo celular, y se conocen como células silentes o células en reposo temporal, las cuales permanecen en fase G1, que pasa a llamarse fase G0, siendo un claro ejemplo las células hepáticas (hepatocitos).
• Las llamadas células senescentes han perdido la capacidad para dividirse de modo permanente. Se mantienen en una fase G0 permanente, como es el ejemplo de las neuronas.

Puntos de control del ciclo celular
Los puntos de control si sitúan en momentos críticos y, si es necesario, detienen el proceso del ciclo celular en ese punto. Hay dos puntos fundamentales, al final de la fase G1 y de la G2, además del control que se realiza en la fase S.
Punto de control en G1
Se trata de un punto de restricción y para alcanzarlo se necesitan factores de crecimiento externos que estimule el ciclo celular; a partir de este, ya no se necesitan estímulos externos para que se sucedan las diferentes fases del ciclo.
Las denominadas proteínas supresoras tumorales suelen actuar deteniendo el ciclo en la fase G1, cuando no se necesita la proliferación celular o hay daño en el ADN.

Control del ciclo en la fase S
En esta fase, en caso de que el ADN sufra un daño, el control actúa disminuyendo la velocidad de replicación del ADN para dar tiempo a que se realice la reparación de este.
Punto de control en la fase G2
Se sitúa en la fase S y antes de que dé comienzo la mitosis. Sirve para asegurar que se ha completado de modo correcto la replicación del ADN antes de dar paso a la mitosis.

Las ciclinas son proteínas que controlan el ciclo celular, haciendo que este siga adelante o se detenga. Hay varios tipos (D, E, A, B) que aparecen en determinados periodos del ciclo celular.

El ciclo celular y cáncer
Una célula cancerosa se origina por acumulación de mutaciones en los genes que regulan el ciclo celular. Las mutaciones hacen que las proteínas reguladoras pierdan su funcionalidad.
En el cáncer, algunas células se multiplican sin control e invaden otras partes del organismo.
Las células cancerosas poseen una serie de características que las diferencian de las células normales.
Características de las células cancerosas

• Se multiplican sin necesidad de recibir señales externas que activen el ciclo celular, a diferencia de las normales, que necesitan recibir señales de factores de crecimiento externos para superar el punto de restricción de la fase G1.
• No responden a las señales de inhibición de la división celular ni de la apoptosis.
• Tienen capacidad para invadir los tejidos y diseminarse originando metástasis, mientras que las células normales presentan inhibición por contacto, es decir, dejan de multiplicarse cuando se encuentran con otras células.
• Inducen la angiogénesis (formación de nuevos vasos sanguíneos) en los tumores.
• Presentan inestabilidad genética: numerosos cambios en su cromosomas.
• Escapan al control del sistema inmune.
• Alteran su metabolismo de modo que les permite acelerar su multiplicación.

Estos genes se clasifican en dos grandes grupos:

• Protooncogenes: genes normales que codifican proteínas que controlan el crecimiento, la proliferación y diferenciación de las células. Pueden sufrir mutaciones y transformarse en oncogenes, inductores del cáncer, al provocar la división descontrolada de las células.
• Genes supresores de tumores: generalmente codifican proteína que reprimen el crecimiento y la división de las células.

La muerte celular: necrosis y apoptosis
La muerte celular es un episodio fundamental del ciclo de vida de una célula. Su regulación es de vital importancia para mantener la integridad y la homeostasis en los seres pluricelulares.
Hablamos de necrosis cuando se trata de una muerte accidental, como consecuencia de una lesión o enfermedad que afecta a grupos de células. Las células se hinchan, se produce una rotura de las membranas, que liberan el contenido celular al exterior y se desencadena un proceso inflamatorio.
La muerte celular programada (MCP) por apoptosis está regulada genéticamente y tiene como objetivo eliminar células sobrantes, dañadas o que han sufrido mutaciones.
En este caso, las células se retraen, la cromatina se condensa, se forman vesículas denominadas cuerpos apoptóticos y las membranas sufren cambios que sirven como señales para que los macrófagos se encarguen de eliminarlas mediante fagocitosis.
Una apoptosis inadecuada conduce a enfermedades degenerativas; la ausencia de apoptosis lleva al cáncer.

Fuente: Biología 2 (Mc Graw Hill).