El sistema genético de ADN también controla la reproducción celular

La reproducción celular es otro ejemplo del papel ubicuo que tiene el sistema genético del ADN en todos los procesos vitales. Los genes y sus mecanismos reguladores determinan las características de crecimiento de las células y también si se dividen para formar nuevas células y cuándo. De esta manera, el sistema genético, tan importante, controla cada etapa del desarrollo del ser humano, desde el óvulo unicelular fertilizado hasta todo un organismo funcionante. Es decir, si hay un eje central a la vida, es el sistema genético del ADN.

Ciclo vital de la célula.

 El ciclo vital de una célula es el período que transcurre desde el inicio de la reproducción celular hasta el inicio de la siguiente reproducción celular. Cuando las células de los mamíferos no están inhibidas, se reproducen tan rápidamente como pueden y su ciclo vital puede ser tan sólo de 10 a 30h y termina por una serie de sucesos físicos diferenciados que se denominan mitosis y que tienen como finalidad lograr la división de la célula en dos células hijas nuevas. La mitosis en sí misma dura sólo unos 30 min, por lo que más del 95% del ciclo vital de las células está representado por el intervalo entre las mitosis, o interfase, incluso en las células que se reproducen con mayor rapidez. Excepto en determinadas condiciones especiales de reproducción celular rápida, los factores inhibidores casi siempre disminuyen la velocidad o detienen el ciclo vital no inhibido, es decir, las distintas células del organismo tienen realmente ciclos vitales que varían de tan sólo 10h en las células de la médula ósea, sometidas a una estimulación elevada, a un ciclo vital que dura prácticamente la vida del sujeto en la mayoría de las células nerviosas.

La reproducción celular comienza con la replicación del ADN.

Como sucede en la mayoría de los demás sucesos vitales importantes, la reproducción comienza en el núcleo. El primer paso consiste en la replicación (duplicación) de todo el ADN de los cromosomas y sólo después puede tener lugar la mitosis. El ADN comienza a duplicarse entre 5 y 10h antes de la mitosis y se completa en 4-8h. El resultado neto es que se producen dos réplicas exactas de todo el ADN. Estas réplicas se convierten en el ADN de las dos células hijas nuevas que se formarán en la mitosis. Después de esta replicación hay otro periodo de 1-2h antes de que comience bruscamente la mitosis. Durante este período comienzan los cambios preliminares que conducirán a la mitosis.

Fenómenos químicos y físicos de la replicación del ADN.

El ADN se replica del mismo modo en que se transcribe el ARN en respuesta al ADN, excepto por algunas diferencias importantes: 1. Se replican las dos cadenas de ADN de cada cromosoma, y no sólo una de ellas. Figura 3-14 Etapas de la reproducción celular. A, B y C. Profase. D. Prometafase. E. Metafase. F. Anafase. G y H. Telofase. (Tomado de Margaret C. Gladbach, Estate of Mary E. and Dan Todd, Kansas.) Unidad I Introducción a la fisiología: la célula y la fisiología general 38.

 

2. Las dos cadenas completas de la hélice de ADN se replican de extremo a extremo, y no sólo algunas porciones de las mismas como sucede en la transcripción del ARN.

 3. Las principales enzimas que participan en la replicación del ADN componen un complejo de muchas enzimas, denominado polimerasa del ADN, que es comparable a la polimerasa del ARN. Se une a la plantilla de una de las cadenas del ADN y la recorre en toda su longitud, mientras que otra enzima, la ADN ligasa, provoca la unión de los nucleótidos sucesivos de ADN entre sí, usando enlaces fosfato de alta energía como fuente de energía para estas uniones. 

4. La formación de cada nueva cadena de ADN se produce simultáneamente en cientos de segmentos a lo largo de cada una de las dos cadenas de la hélice hasta que se re - plica toda la cadena. Después, la ADN ligasa une los extremos de estas subunidades.

 5. Cada cadena de ADN recién formada se mantiene unida mediante un enlace débil de hidrógeno a la cadena original de ADN que se usó como plantilla, es decir, las dos hélices de ADN se enrollan unidas.

 6. Como las hélices de ADN de cada cromosoma miden aproximadamente 6 cm de longitud y tienen millones de giros helicoidales, sería imposible que las dos hélices de ADN recién formadas se desenrollaran si no hubiera algún mecanismo especial, la presencia de enzimas que periódicamente cortan cada hélice a lo largo de toda su longitud, rotan cada segmento lo suficiente como para provocar la separación y después vuelven a separar la hélice. Es decir, se desenrollan las dos hélices nuevas.

Reparación de ADN, «corrección de lectura» y «mutaciones» del ADN.

Durante la hora, más o menos, que transcurre entre la replicación del ADN y el comienzo de la mitosis hay un período de reparación muy activa y «corrección de lectura» de las cadenas de ADN; es decir, siempre que se hayan emparejado nucleótidos de ADN incorrectos con la cadena original que sirve de plantilla actúan unas enzimas especiales que cortan las zonas defectuosas y las reemplazan con los nucleótidos complementarios apropiados. Para ello se utilizan las mismas polimerasas del ADN y ADN ligasas que se usan en la replicación. Este proceso de reparación del ADN se conoce como corrección de lectura. Debido a los procesos de reparación y corrección de lectura, el proceso de transcripción comete errores pocas veces pero, cuando lo hace, el error se denomina mutación. La mutación provoca la formación de alguna proteína anormal en la célula en lugar de la proteína necesaria, lo que conduce a funciones celulares anormales y, en ocasiones, incluso a la muerte celular. Aún así, y dado que hay 30.000 genes o más en el genoma humano y que el período de una generación humana a otra es de unos 30 años, tendríamos que esperar hasta 10 o más mutaciones en el paso del genoma de un padre a su hijo. No obstante, como protección el genoma humano está representado por dos conjuntos independientes de cromosomas con genes casi idénticos, por lo que el niño dispone casi siempre de un gen funcional de cada par, a pesar de las mutaciones.

Cromosomas y su replicación.

 Las hélices de ADN del núcleo se enrollan en cromosomas. La célula humana contiene 46 cromosomas dispuestos en 23 pares. Los genes de los dos cromosomas de cada par son idénticos o casi idénticos entre sí en su mayor parte, por lo que se dice que en los pares también puede haber genes diferentes, aunque no sea siempre así. Además del ADN en el cromosoma hay una gran cantidad de proteínas en el cromosoma, principalmente muchas moléculas pequeñas de histonas cargadas positivamente. Estas histonas se organizan en un número inmenso de pequeños núcleos, a modo de carretes, alrededor de los cuales se enrollan secuencialmente pequeños segmentos de cada hélice de ADN. Los núcleos de histonas tienen un papel importante en la regulación de la actividad del ADN porque este no puede funcionar como plantilla para la formación de ARN ni para la replicación de ADN nuevo mientras esté fuertemente enrollado. Además, se ha demostrado que algunas de las proteínas reguladoras son capaces de disminuir la densidad del enrollamiento del ADN en las histonas y permitir que pequeños segmentos cada vez permitan la formación del ARN. Hay varias proteínas no histonas que también son componentes importantes de los cromosomas, funcionando como proteínas estructurales y, en relación con la maquinaria reguladora genética, como activadores, inhibidores y enzimas. La replicación de todos los cromosomas se produce en los minutos siguientes a la finalización de la replicación de las hélices de ADN y las hélices nuevas recogen las moléculas proteicas nuevas a medida que las van necesitando. Los dos cromosomas recién formados se mantienen unidos entre sí (hasta el momento de la mitosis) en un punto que se denomina centrómero, situado cerca del centro. Estos cromosomas duplicados, pero aún unidos entre sí, se conocen como cromátidas.

Mitosis celular.

El proceso real por el que la célula se divide en dos células nuevas es la mitosis. Una vez que cada cromosoma se ha re - plicado para formar las dos cromátidas, en muchas células la mitosis se produce automáticamente en 1 o 2 h.

Aparato mitótico: función de los centríolos. Uno de los primeros pasos de la mitosis tiene lugar en el citoplasma, al final de la interfase, en torno o en unas pequeñas estructuras denominadas centríolos. Como se ve en la figura 3-14, dos pares de centríolos se mantienen estrechamente unidos cerca de un polo del núcleo (estos centríolos, como el ADN y los cromosomas, también se han replicado durante la interfase, habitualmente poco después de la replicación del ADN). Cada centríolo es un pequeño organismo cilíndrico en torno a 0,4mm de largo y 0,15 mm de diámetro y está formado principalmente por nueve estructuras tubulares paralelas dispuestas en forma de un cilindro. Los dos centríolos de cada par se disponen en ángulos rectos entre sí y cada par de centríolos, junto al material pericentriolar unido a él, compone el centrosoma. Poco antes de que tenga lugar la mitosis, los dos pares de centríolos comienzan a separarse uno de otro, lo que se debe a la polimerización de las proteínas de los microtúbulos que crecen entre los pares respectivos de centríolos y los separan. Al mismo tiempo, crecen radialmente otros microtúbulos que alejan los pares de centríolos, formando una estrella a modo de soporte, que se conoce como áster, en cada extremo de la célula. Algunas de las puntas del áster Capítulo 3 Control genético de la síntesis proteica, las funciones de la célula y la reproducción celular 39 UNIDAD I © ELSEVIER. Fotocopiar sin autorización es un delito. penetran en la membrana nuclear y permiten separar los dos conjuntos de cromátidas durante la mitosis. El complejo de microtúbulos que se extiende entre los dos nuevos pares de centríolos es el huso, y todo el conjunto de microtúbulos más los dos pares de centríolos se denomina aparato mitótico. 

Profase. La primera etapa de la mitosis, denominada profase, se muestra en la figura 3-14A, B y C. Mientras se forma el haz, los cromosomas del núcleo (que en la interfase corresponden a hebras laxamente enrolladas) se condensan en cromosomas bien definidos.

 Prometafase. Durante esta etapa (v. fig. 3-14D), las puntas de los microtúbulos en crecimiento del áster se fragmentan en la cubierta nuclear. Al mismo tiempo, los múltiples microtúbulos del áster se unen a las cromátidas en los centrómeros, donde las cromátidas pareadas aún están unidas entre sí; a continuación, los túbulos tiran de una cromátida de cada par, alejando cada una hacia el polo celular correspondiente.

 Metafase. Durante la metafase (v. fig. 3-14E), los dos ásteres del aparato mitótico se separan, lo que parece suceder porque las puntas de los microtúbulos de ambos, donde se imbrican entre sí para formar el huso mitótico, realmente se empujan mutuamente. Por este motivo, parece que hay unas moléculas proteicas contráctiles diminutas, o motores moleculares, que tal vez estén formadas por la proteína muscular actina que se extienden entre las puntas respectivas para, utilizando una acción paulatina como en el músculo, deslicen activamente las puntas en dirección opuesta una de otra. Simultáneamente, los microtúbulos insertados en las cromátidas tiran fuertemente de ellas hasta el centro de la célula, alineándolas para formar el plano ecuatorial del huso mitótico. 

Anafase. Durante esta fase (v. fig. 3-14F), las dos cromátidas de cada cromosoma son separadas en el centrómero. Se separan los 46 pares de cromátidas y se forman dos juegos independientes de 46 cromosomas hijos. Cada uno de ellos es empujado hacia cada uno de los ásteres de la mitosis, a medida que los dos polos respectivos de la célula en división se van separando entre sí. 

Telofase. En la telofase (v. fig. 3-14G y H), los dos juegos de cromosomas hijos se separan completamente. A continuación, el aparato mitótico se disuelve y se desarrolla una nueva membrana nuclear que rodea cada grupo de cromosomas. Esta membrana se forma a partir de porciones del retículo endoplásmico que ya están presentes en el citoplasma. Poco después, la célula se divide en dos, en la zona media entre los dos núcleos, como consecuencia de la formación de un anillo contráctil de microfilamentos compuestos por actina y, probablemente, miosina (las dos proteínas contráctiles del músculo) en la unión de las células nuevas que se están desarrollando, anillo que las termina separando.