11El ciclo y la división celular

• Semanas anteriores: los componentes de la célula y algunas de sus funciones.

• Hoy nos alejamos un poco de las moléculas al interior de la célula y empezamos a mirar el siguiente nivel de complejidad: como proliferan las células.

División celular

• unicelulares reproducción

• Multiceluares crecimiento, desarrollo y la reparación de tejidos

Figure 9.1 Consecuencias de la división celular

Sistemas de Reproducción Celular

• Cuatro eventos ocurren antes y durante la division celular: Se debe recibir una señal para iniciar la

reproducción. Replicación del ADN y componentes

celulares vitales tiene que ocurrir. El ADN se debe distribuir en las nuevas

células = Segregación. Se sintetiza nueva membrana (y pared)

celular para la separación de las células hijas por citokinesis.

Esos cuatro eventos se llevan a cabo de forma diferente en procariotes y eucariotes

División

En procariotes: fisión binaria.

Señales: factores externos como nutrientes, i.e., muchos nutrientes alta tasa de división

• La mayoría de procariotes tienen ADN circular, un solo cromosoma

Si estuviera extendido mediría 1.6mm!!! Se empaqueta con proteínas cargadas positivamente Hay dos regiones del ADN de procariotas importantes

para la replicación: Origen de la replicación Termino de la replicación

División

Replicación ocurre gracias a un complejo proteico ¨complejo de replicación¨ . El ADN pasa a través de este complejo.

Segregación: Las dos moléculas hijas se van a cada lado de la célula. Se une a proteínas que usan ATP para moverlo.

Citoquinesis: invaginación de la membrana, finalmente separación en dos células

Prokaryotic Cell Division

replicación

segregación

Citoquinesis

Prokaryotic Cell Division

9.1 División

En eucariotes:

Señales: no depende únicamente del medio ambiente. En organismos multicelulares la señales de división celular no dependen del ambiente de la célula individual sino de las necesidades del organismo.

La mayoría tienen varios cromosomas (lineales).

La replicación y la segregación (mitosis) son procesos mas complicados y mas lentos que en procariotes

División

Meiosis ocurre en las células que producen gametos

Mitosis resulta en dos células idénticas.

Los productos de meiosis no son idénticos

Control de la división en eucariotas

El ciclo celular es el ciclo de la vida de una célula desde que nace hasta que da origien a dos células hijas.

Control de la división en eucariotas

El ciclo celular: eventos que llevan a producir dos células eucariotas a partir de una

Fases:

1. Interfase: Fase entre dos divisiones, la mayor parte de la vida de una célula

2. Mitosis

El ciclo celular

S : ADN se replica; un cromosoma se vuelve dos cromátides hermanas.

G1: Gap 1, la célula se prepara para replicación

Segundos-años!!!Aveces G0 (reposo)

Transición de G1 a S

G2: Gap 2, la célula se prepara para mitosis

Ej: sínt. microtúbulos

Mitosis: División nuclear Citoquinesis (aparte)

Interfase!

El ciclo celular

Eventos importantes son:

Replicación fidedigna de todo el material genético (S)

Segregación de los cromosomas (M)

Control de la división celular

CÓMO SABE UNA CÉLULA QUE DEBE IR DE UNA FASE A LA OTRA Y PROGRESAR EN CICLO CELULAR?

Evidencia de sustancias químicas (moléculas) que favorecen el paso de una fase a la siguiente.

Control de la división

Qué eran estas “sustancias”?

Proteínas

Enzimas

Quinasas de proteínas: Enzimas que adicionan grupos fosfato a otras proteínas, i.e., fosforilan.

Control de la división

Transiciones en el ciclo celular

Las transiciones dependen de la activación de la proteínas quinasa dependientes de ciclina (cyclin-dependent kinases - Cdk).

Cdk fosforilan proteínas importantes para iniciar fases del ciclo celular!

Cdk no están siempre activas!

División

Cdk es activada por unión a una ciclina (regulación alostérica) expone su sitio activo.Se vuelve kinasa activa fosforila proteínas

Proteína+ATP Proteína-P + ADP

El complejo ciclina-Cdk actúa como quinasa y lleva a la célula de una fase a otra.

kinasa

Figure 9.5 Cyclin Binding Activates Cdk

Este sustrato controla el ciclo celular(Ej: estimula replicación)

Cdk es activada por unión a una ciclina (regulación alostérica) expone su sitio activo.

¿Como se controla la división celular en eucariotes?

• Varios complejos ciclina-Cdk controlan las fases del ciclo celular en mamíferos

Una misma Cdk se puede unir a diferentes ciclinas y activar diferentes proteínas.

Regular la presencia o ausencia de las ciclinas, o su unión a la Cdks, es una manera efectiva de regular el ciclo celular

9.2 How Is Eukaryotic Cell Division Controlled?

• Las ciclinas son temporales en el ciclo celular

CiclinasLibro: Molecular Cell Biology. Lodish et al.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cyclinexpression_waehrend_Zellzyklus.png

•Diferentes ciclinas en diferentes fases.•La concentración de las ciclinas cambia durante el ciclo

Ciclinas

La concentración de las ciclinas varía de forma cíclica.

¿Como se controla la división celular en eucariotes?

• El punto de restricción en G1 es el que determina el resto del ciclo, una vez superado, el resto del ciclo es inevitable

Control de la división

Para pasar el punto de restricción proteína del retinoblastoma (RB)

RB normalmente inhibe el ciclo celular:Fosforiladainactiva y no bloquea más

Cdks y ciclinas determinan las transiciones

Las ciclinas se degradan luego de cumplir función

Punto de restricción (no retorno)

Cdks y ciclinas determinan las transiciones

RB fosforilada = inactiva no detiene más el ciclo en G1

Control del ciclo

CICLINAS-CDK SON PUNTOS DE CONTROL

• Ejemplo: si el ADN es dañado en G1

Una proteína (p21) se sintetiza bloquea el ciclo uniéndose a las Cdks de G1 mientras se repara el ADN

• Otro control: p53, estimula la síntesis de p21, que inhibe Cdk y previene que células normales se dividan

Cdks y ciclinas determinan las transiciones

Con mucha p21 o p53: no progresa el ciclo

División celular

DISRUPCIÓN DE CICLO CANCER

• Proteínas como p21, p53, y RB que normalmente bloquean el ciclo se conocen como supresores de tumor

Se salen de control tumores

• Células cancerosas, la mayoría tienen proteínas p53 defectuosas

Cdks y ciclinas determinan las transiciones

Si no funcionan p21 o p53 no control sobre el ciclo cancer

División celular

Señales:

Factores de crecimiento: señales químicas que estimulan a las células a dividirse

• Factor de crecimiento de plaquetas• Interleukina• Eritropoyetina• ……..Cascadas de transducción de señales, que

resultan en la síntesis de ciclinas.

http://www.mun.ca/biology/scarr/FISH_chromosome_painting.html

¿Que es esto?

Los cromosomas

χρῶμα (khroma, “color”) + σῶμα (“cuerpo”)

Empaquetamiento del ADN

CROMOSOMAS en procariotes

Normalmente ADN está condensado

Cromosomas circulares en la mayoría de procariotes (mito y cloro)

El cromosoma extendido tendría un diámetro 200x mas grande que la célula misma.

(proteínas básicas)

Empaquetamiento del ADN

CROMOSOMAS en eucariotes

Normalmente ADN es condensado por proteínas para formar la cromatina.

Después de la replicación del ADN empacarlo en cromosomas compactos repartirlo en las dos células

• Producto de replicación: Cromátides hermanas• Unidas por cohesinas• Luego: Condensinas cubren el ADN y lo hacen

más compacto• Las cohesinas desaparecen excepto en el

centrómero en la mitosis

Empaquetamiento del ADN

CROMOSOMAS, CROMATINA

Normalmente ADN es condensado por proteínas para formar la cromatina.

http://www.youtube.com/watch?v=gbSIBhFwQ4s

Empaquetamiento del ADN

Moléculas de ADN están empaquetadas aún durante la interfase

Si no ocuparían mucho espacio! Humans: 2m, el núcleo es solo 5m en diámetro

Histonas—proteínas cargadas positivamente

El esqueleto de fosfato del ADN está cargado negativamente

Todo esto resulta en la formación de nucleosomas.

DNA empacado en forma de un cromosoma mitótico

Histonas (+)DNA (-)

Así está en interfase….. (collar de perlas)En mitosis y meiosis: mucho más empaquetado!

DNA empacado en forma de un cromosoma mitótico

Así se encuentra durante mitosis y meiosis

Cromosomas

ADN altamente condensadoADN altamente condensado

ADN suelto (nucleosomas)ADN suelto (nucleosomas)

Una copia del genoma

Dos copias del genoma

Nucleosoma

Las histonas en el nucleosoma

9.3 Mitosis

MITOSIS: Origen de dos núcleos genéticamente idénticos entre ellos y al núcleo parental.

9.3 Mitosis

PERO ANTES….• Fase S: Mientras el ADN se replica, el

centrosoma se duplica.

• Centrosomas consisten de dos centriolos—tubos huecos de tubulina, 9 tripletas de microtúbulos — en ángulos rectos

• G2M : Se van a polos opuestos (Define plano de división)

• Inicia formación de microtúbulos

9.3 Mitosis

Los centrosomas dirigen la formación de microtúbulos en la estructura del huso mitótico

Células de la planta no tienen centrosomas pero tienen otros centros de organización de los microtúbulos

Los centrosomas se duplican en la fase S

9.3 Mitosis

Mitosis es continua pero puede ser dividida en fases:

• Profase

• Prometafase

• Metafase

• Anafase

• Telofase

• Las fases del ciclo celular:

• Interfase:

• G1

• S

• G2

• Mitosis

• Citoquinesis

• pp

http://www.youtube.com/watch?v=O3_PNiLWBj

Repaso

• El paso de una fase a otra del ciclo celular está controlado por proteínas quinasas dependientes de ciclinas (Cdks)

• Las Cdks estan normalmente inactivas y son activadas mediante regulación alostérica cuando forman un complejo con una ciclina.

• La concentración de las ciclinas cambia en el tiempo, por eso su nombre.

• Hay ciclinas especificas para cada fase del ciclo

• pp

Repaso

CiclinasLibro: Molecular Cell Biology. Lodish et al.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cyclinexpression_waehrend_Zellzyklus.png

•Diferentes ciclinas en diferentes fases.•La concentración de las ciclinas cambia durante el ciclo

Ciclinas

La concentración de las ciclinas varía de forma cíclica.

9.3 Mitosis

MITOSIS: Origen de dos núcleos genéticamente idénticos entre ellos y al núcleo parental.

Mitosis

9.3 Mitosis

PERO ANTES….• Fase S: Mientras el ADN se replica, el

centrosoma se duplica.

• Centrosomas consisten de dos centriolos—tubos huecos de tubulina, 9 tripletas de microtúbulos — en ángulos rectos

• G2M : Se van a polos opuestos (Define plano de división)

• Inicia formación de microtúbulos

Preparación par ala mitosis

Centrosoma: se duplica en interface. En G2/M van a polos opuestos

Mitosis

Los centrosomas dirigen la formación de microtúbulos en la estructura del huso mitótico

Células de la planta no tienen centrosomas pero tienen otros centros de organización de los microtúbulos

Los centrosomas se duplican en la fase S

Mitosis

Mitosis es continua pero puede ser dividida en fases:

• Profase

• Prometafase

• Metafase

• Anafase

• Telofase

Mitosis

PROFASE

• Cohesina desaparece, excepto del centrómero; cromátides se hacen visibles.

• Quinetocoros se desarrollan en las regiones del centrómero

• Centrosomas sirven como centros o polos mitóticos: microtúbulos se forman entre los polos: huso mitótico

Libro: Molecular Cell Biology. Lodish et al.

Mitosis

Huso tiene dos tipos de microtúbulos:

• Microtubulos polares—forman el huso; sobrelapan en el centro.

• Microtúbulos del quinetocoro—se pegan al quinetocoro en las cromátides. Cromátides hermanas se pegan a mitades opuestas del huso

El huso mitótico está compuesto de microtúbulos

El huso mitótico está compuesto de microtúbulos

Mitosis

PROMETAFASE

Desaparece membrana nuclear

Cromosomas empiezan a ser empujados hacia el plano ecuatorial.

Mitosis

Mitosis

METAFASETodos los centrómeros llegaron al plano

ecuatorial

Cromosomas condensados al máximo

ANAFASELas cromátides hermanas se separan y se

mueven en direcciones opuestas (cromosomas hermanos)

El cariotipo humano

Cariotipo se hace en metafase suspendida

Usando e.g., Colchicina

http://colombiamedica.univalle.edu.co/Vol39No2Supl2/htmlv39n2s2/v39n2s2a5.html

El número de cromosomas por especie tiene gran variabilidad

Unión y separación de las cromátides

Qué está pasando con los cromosomas?

Enzima Separasa hidroliza la cohesinaSolo se activa por liberación de una unidad inhibitoria

Quién está separándolos?

1.Dineína (75%)Usa ATP para mover los cromosomas

2. Huso (25%) Microtúbulos de kinetocoro se hacen más cortos

llevando los cromosomas a los polos

Además: microtúbulos polares empujan separación mayor de polos

Mitosis

TELOFASE:

• Huso desaparece

• Cromosomas se desenrollan cromatina

• Se re-forman la membrana nuclear y el nucléolo

Figure 9.10 Mitosis (Parte 2)

Mitosis

El ciclo celular

Mitosis

Figure 9.10 Mitosis (Parte 2)

Citoquinesis: división del citoplasma

Células animales: membrana se invagina gracias a un anillo de microfilamentos de actina y miosina.

Citoquinesis difiere en células animales y vegetales

Células vegetales: vesículas del aparato de Golgi aparecen el el plano ecuatorial y se fusionan para formar una nueva membrana

Contenidos de las vesículas forman el plano de la célula, el comienzo de la nueva pared

Mitosis en tiempo real

La esencia de la reproducción sexual

Variabilidad:

• Selección al azar de la información de padre y madre para producir los gametos

• Azar en cuáles gametos se fecundan

• Se baraja la información genética

• Mitosis : Reproducción clonal

• Meiosis : Reproducción sexual

9.5 Meiosis

Meiosis consiste en dos divisiones que reducen el número de cromosomas

….. por que el ADN es replicado solo una vez

Objetivos:

• Reducir # cromosomas a haploide

• Que los productos tengan un set completo

• Promover diversidad entre los productos

9.5 Meiosis

Antes de la meiosis:

Interfase, incluyendo fase S hay cromátides hermanas también

Dos fases en meiosis:

Meiosis I: Recombinación y Homólogos se separan.

Meiosis II: Cromátides Hermanas se separan

Mitosis y Meiosis

Solo un cicloNo hay entrecruzamientoNo se separan homólogos, se separan cromátides hermanasClones….

9.5 Meiosis

MEIOSIS I

Diferencias con mitosis:

• En meiosis I, pares homólogos se alinean y luego se separan

• Las cromátides hermanas permanecen juntas hasta metafase II

Meiosis

PRO I: Los pares de cromosomas homólogos se aparean

Recombinación

PROMETA I: Huso se forma

¿Qué pasa cuando una célula sufre meiosis?

Las cuatro cromátides forman una tétrada o bivalente

Ejemplo: humanos tienen 46 cromosomas en 23 pares

En profase I: un total de 92 cromátides forman 23 tétradas.

Quiamas: Evidencia de intercambio entre cromátides

Recombinación o entrecruzamiento: Entre secuencias homólogas entre cromosomas homólogos – Forman quiasmasCromosomas no quedan iguales Mayor variabilidad!!!

Entrecruazamiento

¿Qué pasa cuando una célula sufre meiosis?

Profase I es la fase más larga

• Hombres: 1 semana para profase I y un mes para el ciclo meiótico

• Mujeres: profase I comienza antes del nacimiento y termina durante el ciclo menstrual

Meiosis

PRO I: Los pares de cromosomas homólogos se aparean

Recombinación

PROMETA I: Huso se forma

Meiosis

Cromátides hermanas se unen a la misma mitad del huso se separan los homólogos! Y están recombinados

META: Ecuador ANA: Se separan

“Segregación al azar”

TELO: (?) Forma núcleo

Núcleos resultantes solo tienen un juego de cromosomas, cada uno con dos cromátides

Meiosis

NO hay replicación antes!!!

Se parece a la mitosis en que se separan las cromátides hermanas

9.5 Meiosis

Diferencias entre meiosis II y mitosis:

• ADN no se replica antes de meiosis II.

• En meiosis II las cromátides no son idénticas por el crossing over.

• El número de cromosomas en el plano ecuatorial en meiosis II es la mitad del número en mitosis

9.5 Meiosis

Resultado: 4 núcleos haploides

Composición genética es diferente por los crossing - over

y por la segregación al azar de los pares homólogos en anafase I

Mitosis y Meiosis

Solo un cicloNo hay entrecruzamientoNo se separan homólogos, se separan cromátides hermanasClones….

Mitosis y Meiosis

Meiosis

http://www.youtube.com/watch?v=uIS6OxfLFSg

http://www.youtube.com/watch?v=Kr6I0sqqsS4

Comparación de mitosis y meiosis

9.5 Meiosis

Cromátides recombinantes

Segregación al azar (Independent assortment)

9.5 Meiosis

Entre mayor el número de cromosomas, mayor es la posibilidad de nuevas combinaciones.

Humanos tienen 23 pares; 223 (8,388,608) combinaciones posibles solo de la segregación al azar, sin contar el entre cruzamiento.

9.5 Meiosis

Errores meióticos:

• No - disyunción: pares homólogos fallan en la separación en anafase; o las cromátides hermanas no se separan; o los cromosomas homólogos no se aparean y se reparten juntos

• Esto resulta en aneuploidía: cromosomas en exceso o faltantes

Figura 9.20 No - disyunción conduce a aneuploidía

9.5 Meiosis

Organismos con un conjunto extra de cromosomas (naturalmente) se llaman poliploides

Triploides (3n), tetraploides (4n), y otros son comunes en plantas

Poliploidía (e.g., 3n) puede prevenir meiosis (mitosis ocurre normalmente) no todos los cromosomas tienen homólogos y anafase I no ocurre

9.6 Muerte celular

Apoptosis— Muerte celular programada genéticamente.

• Célula ya no se necesita, tejido entre los dedos

• Células viejas pueden enfermarse más frecuentemente

Necrosis – muerte celular no programada. Por ejemplo por algo tóxico