CICLO CELULAR El ciclo celular consiste en toda una serie de eventos por los que pasa una célula a lo largo de su vida. Se lo suele representar gráficamente del siguiente modo:

¿Qué ocurre en cada una de las etapas del ciclo celular? INTERFASE: podríamos decir que es una etapa durante la cual la célula se preparará para una futura división. Durante la división la célula deberá “repartir” todo lo que tiene entre sus futuras células hijas (citoplasma, ADN). Pero, para poder 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, lo que se evidencia porque la célula

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 en tres fases: G1, S y G2 (en ese orden)

aumenta de tamaño. Todo esto implica la síntesis de nuevas organelas. 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. S: fase destinada exclusivamente para la duplicación del ADN. También en esta fase hay además transcripción y traducción pero de un solo tipo de proteínas: las histonas. G2: es una fase breve, previa a la división. Es una fase de preparación para la división porque en este período se sintetizan proteínas relacionadas con la división celular. También hay entonces transcripción y traducción pero en este caso de proteínas 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. DIVISIÓN: 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, es decir que se hacen visibles los cromosomas. Veamos el siguiente esquema: ¿Qué pasa con el ADN a lo largo de las distintas fases del ciclo celular?

Aquí 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 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 cuantos cromosomas hay y cuantas cromátides o moléculas de ADN hay en distintos momentos de la interfase. CANTIDAD DE

CROMOSOMAS CANTIDAD DE CROMÁTIDES

G1 4 4 (porque cada cromosoma tiene una cromátide)

S 4 8 (cada cromosoma tiene 2 cromátides)

G2 4

8

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, si una cromátide o dos cromátides y recordar que una cromátide es una molécula de ADN. REGULACION 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 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 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). 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. En ese momento la quinasa correspondiente se activa. En este momento está constituído el complejo regulador. La fosforilación que hará la quinasa es lo que permite el paso a la fase siguiente. 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 G 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). La quinasa fosforila a compuestos relacionados con la duplicación del ADN que de este modo comienza. Estamos ahora en la fase S. Transición entre G2 y división En el transcurso de G2, la concentración de la ciclina M 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 cromosoma. La desorganización de la envoltura nuclear y la progresiva condensación del ADN son sucesos propios de la división celular, es decir que hemos pasado entonces de G2 a la fase de división.

DUPLICACIÓN DEL ADN

¿Por qué una célula duplica 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. Características de la duplicación o replicación del ADN

La duplicación del ADN es semiconservativa

La duplicación del ADN es bidireccional

Horquilla de replicación

Horquilla de replicación

Hebra nueva Hebra

nueva

Hebra original Hebra

original

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).

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 duplicación (señalado por las dos flechas en el dibujo inferior). 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.

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 anterior esto se ve en el dibujo inferior con el nombre de hebra continua y hebra discontinua)

La duplicación del ADN es asimétrica 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´5´ - 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). Veamos como es la duplicación del ADN analizando lo que ocurre en una horquilla de replicación. Partiendo del siguiente esquema, que contiene todas las referencias necesarias; iremos viendo el “paso a paso”:

1) Hay una enzima que será 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

Hebra discontinua

cebador Hebra continua

Fragmento de Okasaki

primasa

helicasa

ADN polimerasa

topoisomerasaaa

ADN polimerasa

Hebra molde

Hebra molde

SSBP

cebador

Fragmento de Okasaki cebador ADN pol III

ligasa

ADN pol I

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 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.

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.

¿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´.

Para terminar, integremos en forma simplificada en un esquema lo que ocurre en las dos horquillas de una burbuja de replicación: