objetivos del tema - genética y biología molecular | blog … celular durante el ciclo celular se...
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I. INTRODUCCIÓN Y BASES CELULARES DE LA HERENCIA
El alumno... Conoci-
miento
Compren-
sión
Aplica-
ción
3. Ciclo celular. Mitosis y meiosis.
3.1. Describirá las diferentes fases del ciclo
celular.
X
3.2. Comprenderá la mitosis y sus sub-fases X
3.3. Describirá el mecanismo molecular por el
que las células transforman la percepción de
un medio ambiente propicio en uno de
promoción de la proliferación, ingresando así a
la fase G1.
X
3.4. Distinguirá la función de ciclinas y cinasas
dependientes de ciclinas en la regulación de
las diferentes fases del ciclo y las transiciones
entre fases.
X
3.5. Comprenderá las diferentes formas en que
se controla la actividad de los complejos
ciclinas-cinasas en las diferentes fases del
ciclo celular: fosforilación, localización,
transporte, degradación.
X
3.6. Distinguirá las diferentes subfases de la
mitosis y la función de ciclinas-cinasas,
cinasas, fosfatasas y proteasas en su
regulación.
X
Objetivos del tema
I. INTRODUCCIÓN Y BASES CELULARES DE LA HERENCIA
El alumno... Conoci-
miento
Compren-
sión
Aplica-
ción
3. Ciclo celular. Mitosis y meiosis.
3.7. Comprenderá la transición
metafase/anafase como uno de los puntos
críticos requeridos para la salida de mitosis.
X
3.8. Comprenderá la meiosis y sus subfases. X
3.9. Distinguirá el proceso de mitosis del de
meiosis y conocerá el tipo de células en el que
se lleva a cabo la meiosis.
X
3.10. Reconocerá la importancia de la meiosis
en la segregación de los genes y en la
generación de variabilidad.
X
3.11. Comprenderá la importancia de la
recombinación como mecanismo evolutivo y de
generación de diversidad.
X
3.12. Comparará los procesos de ovogénesis y
espermatogénesis en mamíferos y vegetales.
X
Tiempo asignado: 4 h Clase 3-4
Ciclo celular
Durante el Ciclo celular se controla la replicación del DNA y la división de la célula para repartir el mismo DNA a cada una
de las células hijas
Mitosis• División celular que ocurre en células
somáticas de organismos eucariónticos y genera dos células idénticas con el mismo número de cromosomas que la célula progenitora.
Conceptos
Cromosoma. La molécula de DNA formando un complejo con RNA y proteínas y que contiene a los genes ordenados en forma lineal.
Cromátida. En mitosis o meiosis, una de las dos subunidades idénticas unidas por el centrómero y que resultan de la replicación del cromosoma.
Ploidía. Se refiere al número de juegos (sets) de cromosomas o múltiplos. La mayor parte de las células en un humano son diploides (2n); tienen dos juegos de cromosomas (2 x 23 = 46).
Los gametos (espermatozoides y óvulos) son células haploides pues tienen solamente un juego de cromosomas (n). En humanos: 23
Células eucarióticas
Somáticas: forman parte de la mayor parte de los tejidos. Son generalmente diploides.
Germinales: se producen en las gónadas. Son las células reproductivas (óvulos y espermatozoides)
Dado que el DNA es la molécula que almacena la información genética, éste debe ser replicado de una manera fidedigna
En la mitosis sólo se lleva a cabo la distribución equitativa de los cromosomas en las dos células hijas. En ellas hay copias exactas del mismo material genético.
Célula diploide 2n
Célula diploide 2n
Célula diploide 2n
Mitosis
La replicación del DNA ocurre durante la fase S.
I. Profase: En el núcleo, la cromatina se condensa. Se observan los cromosomas que se han duplicado y están unidos por el centrómero (cromátidas). Se degrada la envoltura nuclear.
En el citoplasma, los centrosomas se mueven hacia los polos de la célula y las fibras del “huso mitótico” empiezan a alargarse.
II. Metafase: Las fibras del huso se unen a los centrómeros del cromosoma en unas estructuras especializadas llamadas cinetocoros. Hay un cinetocoroen cada una de las cromátidas.
Los cromosomas migran hacia la línea media entre los dos centrosomas.
FASES DE LA MITOSIS
Plano de la metafase
III. Anafase: El centrómero se rompe y las cromátidas se mueven hacia los polos opuestos en dirección de los respectivos centrosomas. Ahora que están separadas, las cromátidas se denominan cromosomas.
IV. Telofase: Los dos juegos de cromosomas alcanzan los polos de la célula y comienzan a desenrrollarse. Se sintetiza la envoltura nuclear alrededor de los cromosomas para formar los núcleos. Ocurre la división celular (citocinesis) y se generan dos células hijas idénticas.
El centrosoma o “centro organizador de microtúbulos” es una zona en el citoplasma de la célula donde se producen los microtúbulos. Cada centrosoma contiene un par de centríolos que se componen de fibras formadas por microtúbulos.
Los microtúbulos se alargan por la oligomerización de tubulinas y
METAFASE
PROFASE
ANAFASETELOFASE
http://www.sciencephoto.com/index.html
Mitosis en células epiteliales de Xenopus sp.
Preguntas:
¿Cuál es el resultado de la división mitótica?
¿Cómo son las células resultantes de esta división?
La división mitótica ¿puede ser fuente de variabilidad genética?
¿Cómo se puede explicar una amplia diversidad genética en una especie?
Phaseolus vulgaris Zea mays
¿Cómo se puede explicar una amplia diversidad genética en una especie?
Canis familiaris
La diversidad genética se genera por la reproducción sexual, en la que se combina la información de dos células que provienen de
individuos distintos.
Cada uno de los padres contribuye con un gameto haploide (n), óvulo o espermatozoide, que se fusionan para producir un cigoto.
El cigoto es una célula diploide (2n).
Célula diploide 2n
Célula haploide n
Meiosis I
Célula haploide n
Célula haploide n
Célula haploide n
Célula haploide n
Célula haploide n
Los gametos haploides se generan por dos eventos de divisiones celulares que comprenden la Meiosis
Meiosis II
Cromosomas homólogos
Una célula diploide tiene dos copias de cada cromosoma. Un juego proviene del padre y el otro de la madre.
M
P
Los cromosomas M1 y P1 son homólogos pues contienen los mismos genes en el mismo orden. Lo mismo M2 y P2 etc.
Gen AGen a
M1 P1
Comprende dos rondas de divisiones nucleares sucesivas, con un sólo evento de replicación del DNA.
Meiosis
La variabilidad genética, además de generarse por la
reproducción sexual, se genera por la recombinación
de cromosomas homólogas durante la meiosis
La recombinación ocurre en la profase I
Leptoteno: condensación inicial, se observan estructuras filiformes.
Zigoteno: Los cromosomas homólogos se colocan por pares uno al otro lado (cierre). A esta asociación entre cromosomas homólogos se llama sinapsis y es donde ocurre la recombinación (entrecruzamiento).
Cromosomas divalentes: Los dos cromosomas en sinapsis (4 cromátidas ).
Paquiteno: acortamiento y engrosamiento de los divalentes.
Diploteno: Los dos cromosomas homólogos se separan pero mantienen zonas de contacto llamadas quiasmas. Las cromátidas hermanas permanecen unidas por el centrómero.
Quiasma: estructura que se observa durante el entrecruzamiento.
Diacinesis: se caracteriza por la máxima condensación y enrrollamiento de los cromosomas.
PROFASE I
Durante la meiosis ocurre entrecruzamiento y recombinación de los cromosomas homólogos
M1 P1
Recombinación de cromosomas homólogos
Combinación de genes en las células germinales antes de la meiosis:VBvb
Combinación de genes en los gamentos después de la meiosis:VBVbvBvb
La meiosis por medio de la
recombinación, genera
nuevas combinaciones de
genes
Duplicación de cromosomas
Recombinación de cromosomas homólogos
Alineamiento de cromosomas
Separación de cromosomas
A diferencia de la mitosis, durante la profase I de la meiosis, los pares de cromosomashomólogos se recombinan. Durante la anafase estos pares se separan y se distribuyen alazar. Así, los pares M y P quedan distribuidos de manera independiente en las dos célulashijas después de la primera división meiótica.
En la meiosis II ocurre una división longitudinal de las cromátidas y una subsecuente división celular. Cada célula hija contiene un cromosoma del par cromosomal y por lo tanto son células haploides.
Debido a la recombinación, los cromosomas de las células hijas no son idénticos a los de la célula original.
Meiosis II
Meiosis
• Involucra dos divisiones celulares que resultan en células hijas (gametos) con la mitad del número de cromosomas que las células parentales.
• En la meiosis ocurre intercambio de material genético en cromosomas homólogos a través de la recombinación que ocurre durante la profase I.
• La recombinación genera nuevas combinaciones de alelos de distintos genes en un cromosoma.
La meiosis tiene tres funciones
1. Reducir el número de cromosomas de diploide (2n) a haploide (n).
2. Asegurarse de que las células haploides estén compuestas de un set completo de cromosomas.
3. Promover diversidad genética.
Debido a todas las posibles combinaciones en la distribución de los cromosomas, se pueden generar de miles a millones de combinaciones diferentes. Esto depende del número de cromosomas.
Para humanos: 222 = 4,194,304 gametos distintos.
Comparación entre mitosis y meiosis
http://219.221.200.61/ywwy/zbsw(E)/edetail11.htm
En mamíferos, los gametos son producidos en las gónadas por eventos meióticos que difieren en machos y hembras, tanto en tiempo, como en resultado.
La espermatogénesis inicia cuando el hombre llega a la pubertad.
Espermatogénesis: proceso de desarrollo de las célulasgerminales masculinas a partir de las célulasgerminales primordiales, a través de los espermatogonios, espermatocitos y espermátides hasta el haploide maduro, el espermatozoide.
Espermatogénesis. Meiosis I.
El espermatocito primario que es diploide da origen a dos espermatocitos secundarios que tienen un set de cromosomas haploides duplicados.
Espermatogénesis. Meiosis II.
Cada espermatocito se divide para forma espermátidashaploides. Estas maduran para formar espermatozoides.
En humanos el feto femenino empieza a formar ovogonias, pero se detiene el proceso de meiosis en la etapa de ovocito primario, específicamente en profase I, en la subfase conocida como diplonema. Este período se mantiene suspendido hasta que, a partir de la pubertad y por efectos hormonales, se desprende un ovocito en cada ciclo menstrual, se concluye entonces la primera división meiótica y se inicia la segunda. Ésta a su vez se interrumpe (en la metafase II) y no se completa hasta la fecundación —si es que ésta ocurre—, cuando se forman el óvulo y los 3 corpúsculos polares.
Ovogénesis. Formación de gametos femeninos
Ovogénesis. Meiosis I.
El oocito primario sufre una división meiótica, pero el citoplasma se divide en forma asimétrica pues se forman dos células de tamaño distinto:
• Una célula grande oocito secundario.
• Una célula pequeña llamada cuerpo polar.
Cuerpo polar
Oocito secundario
Oocitosecundario
Ovogénesis. Meiosis II.
Cuando el oocito se divide se forma el oocito maduro y otro cuerpo polar.
El cuerpo polar también se divide generando otros dos cuerpos polares. Sin embargo, éstos ya no se desarrollan y mueren.
Comparación entre ovogénesis y
espermatogénesis
Fertilización:
fusión de
gametos para
formar un cigoto
Formación de gametos en vegetales
Las flores son los órganos reproductivos en las plantas. Una vez que se han formado, el siguiente paso en el ciclo reproductivo es la gametogénesis.
Megagametogénesis: Formación del saco embrionario.
Microgametogénesis: Formación del polen.
ovario
estiloestigma
anteras
filamentos
pétalos
La mayoría de las plantas tienen flores compuestas
que contienen a los órganos masculinos y
femeninos
También hay especies que en el mismo individuo tienen las flores masculinas y femeninas separadas, por ejemplo el maíz.
Y en otras especies, las flores masculinas y femeninas se encuentran en individuos distintos (ej. espárrago, espinaca).
Formación del gameto femenino
Ocurre en el óvulo y comienza con una división meiótica. Tres de los productos de la meiosis sufren muerte celular y el cuarto forma la megaespora.
La megaespora sufre tres divisiones para producir el saco embrionario que contiene 7 células:
• Tres células antipodales
• Dos células sinérgidas
• Una célula central
• Una célula “huevo”
Formación del gameto masculino
• Ocurre en la antera y comienza cuando una célula esporfítica se divide para generar una célula esporogénica.
• Esta célula sufre Meiosis I y II para producir un tétrada de células haploides.
• Estas células se dividen por mitosis para generar células espermáticas que se diferencian hacia polen.
Desarrollo de gametos y fecundación en plantas
Ciclo celular
En organismos unicelulares, el avance en el ciclo celular depende fuertemente del ambiente
La frecuencia de división y/o crecimiento depende del tipo celular
• La mayor parte de las células diferenciadas de los organismos pluricelulares permanecen en G0 indefinidamente.
• Las neuronas nunca vuelven a entrar en G1
• Las células cancerosas son incapaces de entrar en G0 y se dividen de manera continua
• Las células embrionarias se dividen cada treinta minutos
Células embrionarias
Los factores de crecimiento
y las hormonas son señales
para continuar o detener el
crecimiento/división celular
Factor Fuente Actividad
EGF/ Factor de crecimiento epidérmico
Glándula submaxilar
Promueve proliferación de células del mesénquima, glía y epiteliales
Eritropoietina Riñón Promueve proliferación y diferenciación de eritrocitos
TGF / Factor de transformación
Células T y NK Inhibe proliferación de macrófagos y linfocitos
Interleucina 3 Células T activadas
Crecimiento de células hemetopoiéticas progenitoras
Interleucina 12 Células B, macrófagos
Proliferación de células NK
Interferones Macrófagos, neutrófilos
Inducción de síntesis de proteínas de membrana MHC
Factores de crecimiento y citocinas
Ciclinas y CdkLas encargadas del control del ciclo
celular son dos tipos de proteínas:
- ciclinas
- cinasas dependientes de ciclinas (Cdk)
¿Qué es lo que hace que las células transiten a través del
ciclo celular?
Las Cdk fosforilandiferentes proteínas que participan en el ciclo celular.La actividad de las CDKs dependen de su interacción con las ciclinas.
El patrón o tipo de ciclinas presentes en cada fase del ciclo celular es específico.
Las ciclinas
se sintetizan
y se degradan
en las
diferentes
fases del
ciclo celular
en las que
participan
Las CDKs se unen con
diferentes ciclinas a lo largo del
ciclo celular
El ciclo celular progresa solo si las condiciones son las óptimas
Tipos principales de Ciclinas
• Ciclinas G1/S: promueven el crecimento de la célula y la preparan para la replicación de su DNA
• Ciclinas S: son indispensables para la replicación del DNA• Ciclinas M: regulan los eventos de la mitosis• Ciclinas D: determinan si la célula entra o no en G0
Complejos Ciclina-Cdk a lo largo del ciclo celular
Regulación de los complejos ciclina/CDKLos complejos ciclina/CDK se regulan por cuatro mecanismos:• Asociación de la CDK con su ciclina específica: niveles de
síntesis y degradación de ciclinas• Activación/Inactivación del complejo mediante fosforilación• Transporte• Unión a proteínas inhibitorias
Asociación de la CDK con su ciclinaespecífica: niveles de síntesis y
degradación de ciclinas
• Para que los pasos a través del ciclo celular sean irreversibles, la ciclina se degrada por un mecanismo de proteólisis dependiente de ubiquitina, las dos más importantes son:
• SCF: actúa en las ciclinas G1 y S
• APC: actúa sobre ciclinas M
Activación del complejo ciclina/Cdk por
fosforilación • Se fosforila un residuo de treonina en la posición 160 de la
Cdk por acción de la enzima CAK (Cdk-activating kinase)
• La ciclina y su correspondiente cinasa se pueden unir pero el complejo no es funcional hasta que es activado por la CAK
Fosforilación inhibitoria• Fosforilación de los residuos de tirosina 15 en levaduras o treonina 14 en
vertebrados, dichos aminoácidos se encuentran en el amino terminal de la Cdk
• Proceso catalizado por la cinasa Wee1.
Proteínas que inhiben la actividad de los
complejos Ciclina/CDK
• Los complejos Cdk/ciclina también pueden ser regulados por la
unión a proteínas inhibidoras llamadas CKIs, en células de
mamífero las CKIs principales son:
- Proteínas de la familia CIp/Kip, regulan la interfase G1/S
- Proteínas de la familia Ink4 presentes en el punto de restricción en
G1
Ciclinas D
• Responden a factores de crecimiento a través de la vía Ras/Rb/ERK
• Se encargan de proseguir a la fase S.
• Si el factor de crecimiento no está presente, la célula entra en G0
El ciclo celular está estrictamente regulado en distintos puntos
• En levaduras, el principal punto de control ocurre en G1 y está definido por señales externas
En mamíferos hay tres puntos de control del ciclo celular
1
23
La célula se prepara
El DNA se replicaSe corrigen errores
ProfasePro-metafaseMetafase
AnafaseTelofase
G1/S CHECKPOINT
G1/S, en mamíferos depende de factores de crecimiento
• Si no hay factores de crecimiento la célula permanece en estado quiescente (G0) hasta que haya un estímulo
G2/M y
ovogenesis
Estradiol
Regulación de la replicación del DNA
Complejo pre-replicativo
S-Cdk/Ciclina A
Inicio Replicación
P
p53 censa el daño al DNA
Si la
célula no
puede
reparar
los
daños,
entra en
apoptosis
Regulación de la mitosis
MPF es el regulador maestro de la mitosis
• MPF (Maturation
Promoting Factor)
está formado por la
Cliclina B y la Cdk2Cdk2
Ruptura de la membrana nuclear
Los componentes principales de la membrana nuclear se ven afectados por la actividad del MPF
• La membrana nuclear se fragmenta en vesículas
• Los poros nucleares se disocian
• La lámina nuclear se despolimeriza
M-Cdk regula al complejo que promueve la separación de las cromátidas
Las cohesinas unen a las dos cromátidas hermanas
Transición metafase/anafase
• Degradación de las proteínas Smc1 (cohesina)
• y de la ciclina B
Reensamblaje de la
membrana nuclear
Señales extracelulares
Diferenciación
Apoptosis
G0
Regulación del ciclo celular