Introducción

Introducción
Tomado y modificado de
ALBERTS. B.− HOPKIN K. – JOHNSON A. − LEWIS J. − RAFF M. − ROBERTS K. − WALTER P.:
Introducción a la Biología Celular 2ª edición−2006, Editorial Médica Panamericana.
”Para que surja una célula debe haber una preexistente, así como los animales solo pueden nacer
de otros animales y los vegetales de otros vegetales." Esta doctrina celular, propuesta por el
anatomopatólogo alemán Rudolf Virchow en 1858, transmitía un mensaje de continuidad vital de
importantes connotaciones. Las células son generadas por otras células, y la única manera de que
la cantidad de células aumente es por la división de las células preexistentes. Todos los organismos
vivos, desde las bacterias unicelulares hasta los mamíferos pluricelulares, son el producto de ciclos
repetidos de crecimiento y división celulares que datan desde el comienzo de la vida, hace más de
tres mil millones de años.
Una célula se reproduce mediante una secuencia ordenada de procesos en la que duplica su
contenido y luego se divide en dos células. Este ciclo de duplicación y división, conocido con el
nombre de ciclo celular, representa el mecanismo fundamental subyacente a la reproducción de todos
los seres vivos. Los aspectos específicos del ciclo celular varían en los distintos organismos y en
diferentes momentos de la vida de un organismo dado. No obstante ello, ciertas características son
universales en la medida que el ciclo celular comprende un conjunto de procesos esenciales que
todas las células deben llevar a cabo para cumplir su función principal: copiar y transmitir la información
genética a la próxima generación de células. Para producir dos células genéticamente idénticas es
necesaria la replicación exacta del DNA en cada cromosoma y la separación y la distribución precisas
de los cromosomas replicados en las dos células hijas, de manera que cada célula reciba una copia de
la totalidad del genoma (fig. 18-1). La mayoría de las células también deben replicar sus orgánulos y
macromoléculas, ya que en caso de que ello no ocurra irán disminuyendo de tamaño después de
cada división sucesiva. Por lo tanto, para mantener su tamaño, las células en división deben coordinar
la división con el crecimiento.
Fig. 18-1
Las células se reproducen
mediante la duplicación de su contenido
y bipartición, proceso denominado ciclo
celular.
La figura ilustra la división de una célula
eucarionte hipotética con dos cromosomas
para mostrar cómo se producen dos células
genéticamente idénticas en cada ciclo.
Cada célula hija a menudo se divide
nuevamente y pasa por otros ciclos
celulares.
En consecuencia, para explicar la reproducción celular es necesario resolver tres interrogantes
fundamentales: 1) ¿Cómo logran las células duplicar su contenido? 2) ¿Cómo logran las células la
partición del contenido duplicado y dividirlo en dos? 3) ¿Cómo logran las células coordinar la maquinaria
necesaria para llevar a cabo estos dos procesos? La primer pregunta la venimos trabajando desde el
inicio del curso, las otras dos las trabajaremos en esta unidad y en la próxima. Para garantizar la
progresión correcta a lo largo del ciclo celular, las células eucariontes desarrollaron una compleja red
de proteínas reguladoras que se conoce con el nombre de sistema de control del ciclo celular. El
elemento central de este sistema consiste en una serie ordenada de "interruptores" bioquímicos que
gobiernan los principales procesos del ciclo celular, como la replicación del DNA y la segregación de
los cromosomas duplicados.
Para poder coordinar esas actividades, el sistema de control del ciclo celular responde a varias
señales intracelulares y extracelulares. En el interior de las células, debe monitorear la progresión a
través del ciclo celular para asegurar, por ejemplo, que la división no comience antes de que se
complete la replicación del DNA. También debe vigilar las condiciones en el medio extracelular. En un
animal pluricelular, el sistema de control es muy sensible a las señales provenientes de otras células,
de modo que estimula la división celular cuando se necesitan más células y la bloquea en el caso
contrario. Por lo tanto, el sistema de control del ciclo celular desempeña un papel fundamental en la
regulación de la cantidad de células en los tejidos corporales; una disfunción del sistema que permita
una división celular excesiva puede conducir al desarrollo de un cáncer.
En este capitulo comenzaremos describiendo las generalidades del ciclo celular. Luego haremos
una descripción general de la fase M, y analizaremos por partes, los eventos que se producen
durante la mitosis y la citocinesis especialmente en las células animales, aunque también haciendo
referencia a las células de plantas.
En el próximo capítulo profundizaremos en la descripción de los mecanismos de control y
coordinación de la división celular con un enfoque general de los procesos que se producen durante el
ciclo celular. Luego se comentará la forma en la que el sistema de control del ciclo celular coordina
estos procesos respondiendo a señales intracelulares y extracelulares. Más adelante se explicará
cómo los organismos pluricelulares eliminan las células indeseables mediante la muerte celular
programada, o apoptosis, mecanismo que conduce al suicidio de las células cuando ello redunde en
beneficio del organismo en su conjunto. Por último veremos cómo los animales regulan el número y el
tamaño de las células utilizando señales extracelulares con la finalidad de controlar su división,
supervivencia y crecimiento.
Generalidades acerca del ciclo celular
La función básica del ciclo celular es la de duplicar en forma exacta la gran cantidad de DNA
cromosómico y luego distribuir las copias en células hijas genéticamente iguales. La duración del ciclo
celular varía de manera significativa en los distintos tipos celulares. Una levadura unicelular puede
dividirse cada 90-120 minutos en condiciones ideales, mientras que una célula hepática de mamífero se
divide en promedio menos de una vez por año (cuadro 18-1). A continuación nos centraremos en la
secuencia de procesos que tiene lugar en una célula de mamífero de división relativamente rápida, con
un ciclo celular de alrededor de 24 horas, y describiremos el sistema de control encargado de
asegurar que los distintos pasos del ciclo se produzcan en los momentos correctos.
Cuadro 18-1. Duración del ciclo celular en algunas células eucariontes
TIPO CELULAR
DURACIÓN DEL CICLO CELULAR
Células de embrión de rana en una fase evolutiva temprana
30 minutos
Células de levadura
1,5-3 horas
Células epiteliales del intestino
~12 horas
Fibroblastos de mamíferos en cultivo
~20 horas
Células hepáticas humanas
~1 año
El ciclo celular de las células eucariontes se divide en cuatro fases
El ciclo celular de las células eucariontes se divide tradicionalmente en cuatro fases. Cuando la
célula se examina con un microscopio, los dos acontecimientos más notables del ciclo celular
consisten en la división del núcleo, proceso denominado mitosis, y la división de la célula en dos
partes, proceso denominado citocinesis. Uno y otro constituyen la fase M del ciclo celular. En una
célula de mamífero típica la fase M dura alrededor de una hora, lo cual representa solo una
pequeña fracción del tiempo total del ciclo.
El período entre una fase M y la siguiente se denomina interfase. En el examen microscópico, se
obtiene la falsa impresión de que durante este intervalo la célula sólo aumenta de tamaño sin que
se produzcan otros acontecimientos de importancia. Sin embargo, la interfase es un período muy
activo que comprende las tres fases restantes del ciclo celular. Durante la fase S ("S" por
síntesis) ocurre la replicación del DNA nuclear, un requisito esencial para que pueda producirse la
división celular. La fase S es precedida y seguida, respectivamente, de dos fases en las que la
célula continúa su crecimiento. La fase G1 ("G" del inglés gap, intervalo) es el tiempo que media
entre el final de la fase M y el comienzo de la fase S (síntesis de DNA). La fase G2 es el tiempo
que media entre el final de la fase S y el comienzo de la fase M (fig. 18-2). Durante estos intervalos
la célula monitorea los ambientes intracelular y extracelular para asegurarse de que las
condiciones sean las apropiadas y se hayan completado los preparativos antes de encarar las
complejas tareas asociadas con la fase S y la mitosis. En puntos determinados de G1 y G2 la célula
debe decidir si pasa a la fase siguiente o efectúa una pausa que permita ganar tiempo para
completar la preparación.
Fig. 18-2 El ciclo celular se divide en
cuatro fases.
Las células crecen continuamente
durante la interfase que está constituida
por tres fases: la replicación del ADN se
halla limitada a la fase S; G1 es el
intervalo entre la fase M y la fase S; G2
es el intervalo entre la fase S y la fase
M. Durante la fase M primero se divide
el núcleo y luego el citoplasma.
Durante toda la interfase continúa la transcripción de genes, la síntesis de proteínas y el
crecimiento de la masa celular. En conjunto, las fases G1 y G2 permiten ganar tiempo para que la
célula crezca y duplique los orgánulos citoplasmáticos; si la duración de la interfase se limitase al
tiempo necesario para la replicación del DNA, la célula no tendría tiempo de duplicar su masa
antes de dividirse y en consecuencia su tamaño disminuiría en forma progresiva después de cada
división. En ciertas circunstancias especiales esto es en realidad lo que sucede. Por ejemplo,
en algunos embriones animales, las primeras divisiones celulares después de la fecundación
(llamadas divisiones de clivaje) sirven para dividir un ovocito gigante en numerosas células más
pequeñas con la mayor rapidez posible. Durante estos ciclos celulares, las fases G1 y G2 se
acortan mucho y las células no aumentan de tamaño antes de dividirse.
El primer indicio de que una célula está a punto de ingresar en la fase M es la condensación
progresiva de sus cromosomas, los cuales se habían replicado durante la fase S precedente
(después de la replicación, ambas copias de cromosomas permanecen estrechamente unidas). En
este estadio del ciclo celular, los cromosomas replicados comienzan a apreciarse en el campo del
microscopio óptico como hebras largas que se tornan progresivamente más cortas y gruesas
mediante el proceso de condensación. Este proceso reduce la probabilidad de que los cromosomas
se entrelacen y facilita su separación para que se distribuyan en las dos células hijas durante la
mitosis.
Los principales procesos del ciclo celular son desencadenados por un sistema de control
central
El funcionamiento del sistema de control del ciclo celular puede compararse con el de una máquina de
lavar automática. Esta funciona mediante una serie de pasos: entrada de agua, mezcla del agua con
el detergente, lavado de la ropa, enjuague y secado por centrifugación. Estos procesos del ciclo de
lavado son análogos a los procesos fundamentales del ciclo celular: replicación del DNA, mitosis, etc.
En ambos casos, un controlador central desencadena cada proceso siguiendo una secuencia
predeterminada (fig. 18-3). El controlador propiamente dicho es regulado en ciertos puntos críticos del
ciclo mediante información de retroalimentación proveniente de los procesos que se llevan a cabo. Por
ejemplo, en el tambor de la lavadora de ropa existen sensores que controlan el nivel de agua y
envían señales que retornan al controlador para evitar que se inicie el paso siguiente antes de que se
complete el paso previo. Sin esta retroalimentación, la interrupción o la demora de cualquiera de
estos procesos podría tener consecuencias catastróficas.
Fig. 18-3 Los procesos fundamentales del
ciclo celular, como la replicación del ADN, la
mitosis y la citocinesis, son desencadenados
por un sistema de control.
Por analogía con una máquina de ropa
automática, el SCCC se ilustra como un brazo
controlador que gira en el sentido de las agujas
del reloj, y desencadena los procesos
fundamentales cuando llega a determinados
puntos específicos del dial externo.
Los procesos del ciclo celular también deben tener lugar en una secuencia específica, que debe
preservarse aun cuando uno de los pasos dure más que lo habitual. Por ejemplo, la totalidad del DNA
nuclear se debe replicar antes de que el núcleo comience a dividirse, lo cual implica que la fase M debe
ser precedida de una fase S completa. Si la síntesis de DNA se demora o se interrumpe, también
deberán retrasarse la mitosis y la división celular. Asimismo, si el DNA experimenta un daño, el ciclo se
debe interrumpir en G1 o G2 para que la célula pueda reparar la lesión, sea antes de la replicación del
DNA o antes de ingresar en la fase M. El sistema de control del ciclo celular logra efectuar estas
correcciones mediante "frenos" moleculares capaces de detener el ciclo celular en diversos puntos de
control. De esta manera, el sistema de control no desencadena la etapa siguiente del ciclo salvo que la
célula se encuentre debidamente preparada.
En G1 y G2 existen dos puntos de control importantes. El punto de control G1 permite que la célula se
asegure de que el medio es favorable para su proliferación y que el DNA se encuentre intacto antes
de pasar a la fase S. La proliferación celular depende de nutrientes y de moléculas de señalización
específicas del medio extracelular; si las condiciones extracelulares son desfavorables, las células
pueden retardar el progreso a través de G1 e incluso pueden ingresar en un estadio de reposo
especializado denominado G0 (G cero). Algunas células, como las células nerviosas y las células
musculares esqueléticas, permanecen en G0 durante toda la vida del organismo. El punto de control
G2 garantiza que las células no ingresen en la fase de mitosis hasta que no se haya reparado el DNA y
se complete su replicación del DNA (fig. 18-4).
Los puntos de control son de especial importancia como momentos del ciclo celular en los que el
sistema de control puede regularse por señales provenientes de otras células. Algunas de estas
señales facilitan el progreso a través del ciclo celular, mientras que otras lo retrasan. Más adelante en
este capítulo consideraremos los factores que afectan las decisiones que adopta la célula en los puntos
de control, pero en primer término describiremos las principales proteínas que forman el sistema de
control del ciclo celular.
Fig. 18-4 La retroalimentación proveniente de los
procesos intracelulares del ciclo celular y las
señales procedentes del entorno determinan si el
sistema de control del ciclo celular superará
determinados puntos de control.
Los recuadros amarillos indican dos puntos de control
importantes del ciclo celular:
− en el punto de control de G1, el sistema de control
determina si la célula continúa hacia la fase S
− en el punto de control de G2, el sistema de control
determina si la célula continúa hacia la mitosis.
Como se verá más adelante existen otros puntos de
control del ciclo celular.