Reproducción celular

1. Reproducción celular Tema 8

2. Diferenciación División Muerte

3. El ciclo celular El ciclo celular es un conjunto ordenado de sucesos que culmina con el crecimiento de la célula y la división en dos células hijas. Puede durar desde unas pocas horas hasta varios años (depende del tipo de célula) Se divide en dos fases: Interfase Fase M (mitosis y citocinesis)

4. Interfase • Periodo de tiempo entre dos mitosis sucesivas • Ocupa la mayor parte del tiempo del ciclo celular. • La actividad metabólica es muy alta. • La célula aumenta de tamaño y duplica el material genético. • Periodos o fases de la interfase: • Fase G1 (Fase G0) • Fase S • Fase G2

5. Fase G1: • Es la primera fase de crecimiento. Dura hasta la entrada en la fase S. • Hay una intensa actividad biosintética. • Se sintetizan ARN y proteínas para que la célula aumente de tamaño. • En las células que no entran en mitosis, esta fase es permanente y se llama G0 (estado de reposo o quiescencia). • G0 es un estado propio de células diferenciadas, que entran en quiscencia o que van a morir (apoptosis). • Las decisiones que se toman en G1 dependen de complejos moleculares llamados puntos de control, basados en quinasas dependientes de ciclinas (CdKs) • El principal punto de control se denomina punto de restricción y decide si la célula entra en fase S o no.

6. Durante la fase G1 la célula comprueba las condiciones externas e internas y decide si continuar con el ciclo celular o no. En metazoos, el avance del ciclo celular está condicionado por: • Señales externas: adhesión, factores tróficos o mitógenos que emiten otras células del organismo. • Señales internas: Son aquellas que informan del estado de salud de la célula, como una correcta dotación de elementos celulares tras la división, una segregación correcta de los cromosomas, etcétera. • Si todas estas señales son propicias la célula crecerá en tamaño y se preparará para entrar en la fase S.

7. Una vez doblado su tamaño se inicia la duplicación del ADN, la síntesis de histonas y la duplicación de los centrosomas (en células animales) • Aparecen los cromosomas con dos cromátidas cada uno, unidas por el centrómero. • Es importante tener en cuenta que no todo el ADN se está replicando a la vez. Se estima que en cualquier momento de la fase S se está copiando entre un 10 y un 15 % del ADN total. • Si se detectan roturas del ADN, mediante los sistemas de control, la copia del resto del ADN se detiene. Fase S:

8. Fase G2: • Es la segunda fase de crecimiento, hay un ligero aumento de tamaño. • Se sintetizan proteínas necesarias para la inminente división celular. • Acaba con el inicio de la condensación de los cromosomas y la entrada en mitosis. • Durante esta etapa, sin embargo, se comprueba si ha habido errores durante la replicación del ADN y si se ha producido su duplicación completa. Si éstos defectos son detectados la célula no entrará en fase M y el ciclo celular se detendrá hasta que los daños sean reparados o el ADN sea completamente copiado. • Por tanto, existe un punto de control en esta fase.

11. Control del ciclo celular • Las células controlan el momento de inicio de cada una de las fases para evitar fallos en el ciclo vital. Para ello las células detienen el avance del ciclo en determinados puntos de control de modo que no se pasa de una fase a la siguiente hasta que las etapas procedentes se hayan desarrollado con satisfacción. • Los puntos de control son: • Paso de G0 a G1: comienzo de la proliferación. • Transición de G1 a S: iniciación de la replicación. • Paso de G2 a M: iniciación de la mitosis. • Avance de metafase a anafase.

12. REGULACION DEL CICLO CELULAR CELULAS ANIMALES Punto de restricción FACTORES DE CRECIMIENTO

14. PUNTOS DE CONTROL DEL CICLO CELULAR CONTROL DE LA METAFASE Maquinaria de replicación del DNA Maquinaria de la mitosis ¿Se ha producido daño en el DNA? ¿Se ha replicado todo el DNA? Entorno ¿Es el entorno favorable? ¿Se ha producido daño en el DNA? ¿Están todos los cromosomas alineados en el huso? ¿Tiene la célula el tamaño adecuado? Crecimiento celular ¡COMENZAR MITOSIS! ¡FINALIZAR MITOSIS! CONTROL DE LA FASE G2 CONTROL DE LA FASE G1 CONTROL DE LA FASE S ¡CONTINUAR LA SÍNTESIS DE DNA! ¡ENTRAR EN CICLO! Crecimiento celular ¿Tiene la célula el tamaño adecuado? ¿Se ha producido daño en el DNA? Entorno ¿Es el entorno favorable? ¿Se ha producido daño en el DNA?

15. El punto R: regula el paso de la fase G1 a la fase S; este momento la célula decide si entra o no en la siguiente fase tras evaluar si hay algún daño en el ADN, si el tamaño celular es el adecuado para dar lugar a dos células hijas y, en conclusión, si tiene la capacidad suficiente para completar el ciclo. Si la evaluación es negativa la célula determinara el proceso y entrara en la fase Go. Las células especializadas se encuentran indefinidamente en este estado ya que ha perdido su capacidad mitótica; otros tipos de células pueden retornar a la fase G1 si es estimulado por algún agente mitógeno. R

16. CONTROL CICLO CELULAR PROTEÍNAS CLAVE: - Quinasas dependientes de ciclina o Cdk - Ciclinas Punto de control 1: Cdk + Ciclina G1 Quinasa de inicio Comienza fase S Duplicación ADN

17. Punto de control G2 : regula el paso de la fase G2 a la mitosis : decide si se inicia o no la mitosis tras comprobar que se ha replicado el ADN y que este no contiene ningún fallo. • Punto de control M: este punto supervisa que el huso mitótico se forme adecuadamente y que los cromosomas estén alineados correctamente en el huso durante la metafase. • Se detendría la mitosis en caso de que la alineación de los cromosomas es incorrecta. • El control lo ejercen gracias a una serie de proteínas entre las que destacan las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas (CDK)

18. CONTROL CICLO CELULAR Punto de control 2: Cdk + ciclina mitótica Factor promotor de Mitosis Mitosis PROTEÍNAS CLAVE: - Quinasas dependientes de ciclina o Cdk - Ciclinas PROFESOR JANO – Recursos culturales

19. Replicación del ADN • Es el proceso necesario para que se realice la división celular. • Ocurre en la fase S del ciclo celular. • El mecanismo de replicación se basa en la complementariedad de bases. • Inicialmente se plantearon tres posibles modelos de replicación: • Modelo conservativo • Modelo dispersivo • Modelo semiconservativo

20. Posibles modelos en la replicación del ADN CONSERVATIVO DISPERSIVO SEMICONSERVATIVO

21. RESULTADOS DEL EXPERIMENTO CONTROL (Centrifugación del ADN conocido) Descarta el modelo conservativo Descarta el modelo dispersivo Experimento de Meselson y Stahl ADN 14N y ADN 15N ADN 14N ADN 15N 1ª generación 2ª generación 3ª generación INTERPRETACIÓN DEL EXPERIMENTO 3ª generación Cultivo con 14N Cultivo con 15N 2ª generación 1ª generación

22. http://biologia.uab.es/genomica/swf/dna.htm

23. Replicación del ADN – Características generales Proceso de duplicación del ADN mediante un modelo semiconservativo. Comienza en sitios específicos (orígenes de replicación) El proceso de replicación es bidireccional Las dos hebras nuevas se van alargando progresivamente, por adición secuencial de nucleótidos La replicación siempre se produce en sentido 5' → 3', siendo el extremo 3'-OH libre el punto a partir del cual se produce la elongación del DNA. Como las dos hebras de ADN son antiparalelas, una de las hebras se sintetiza de forma continua y otra de forma discontinua. El proceso de duplicación está catalizado por las enzimas ADN polimerasas (aunque intervienen muchas otras enzimas en el proceso) Hay una corrección de errores para asegurar la fidelidad de las copias

24. Replicación en procariotas • El proceso de replicación de DNA es el mecanismo que permite al DNA duplicarse (es decir, sintetizar una copia idéntica). • Esta duplicación se produce según el modelo semiconservativo, lo que indica que las dos cadenas complementarias del DNA original, al separarse, sirven de molde cada una para la síntesis de una nueva cadena complementaria de la cadena molde. • El proceso se ha estudiado en la bacteria E. Coli • Consta de las siguientes fases: • Iniciación • Elongación • Terminación • Durante la elongación se da una corrección de errores

25. Fase de iniciación La replicación comienza en sitios específicos del ADN conocidos como “origen de replicación” o región oriC. Los orígenes de replicación son los puntos fijos que están a partir de los cuales se lleva cabo la replicación, que avanza de forma secuencial formando estructuras con forma de horquilla. • Procariontes: Un origen de replicación. • Eucariontes: Múltiples orígenes de replicación. El DNA se replica desenrollando la hélice y rompiendo los puentes de hidrógeno entre las hebras complementarias.

27. El DNA se replica desenrollando la hélice y rompiendo los puentes de hidrógeno entre las hebras complementarias. Se forma la burbuja de replicación, con dos horquillas de replicación, que se van extendiendo en las dos direcciones: replicación bidireccional Comienza la fase de elongación.

28. Ori C Evitan las tensiones debidas a un superenrrollamiento Girasa Topoisomerasa Proteínas específicas Proteínas SSB Impiden que el ADN se vuelva a enrollar Helicasa Las proteínas específicas se unen al punto de iniciación La helicasa rompe los enlaces de hidrógeno entre las bases y abre la doble hélice Burbuja de replicación Fases de la replicación: iniciación Consiste en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice de ADN

29. Resumen Reconocimiento del OriC por proteínas especificas Las helicasas rompen los puentes de H Las girasas y topoisomerasas alivian las tensiones del desenrrollamiento. Las proteínas SSB evitan que se vuelvan a unir las cadenas sencillas y se enrollen de nuevo Formación de la burbuja de replicación

30. Fase de elongación Se sintetiza la nueva hebra de ADN sobre la hebra original. Se debe a la actuación de las ADN polimerasas. En procariotas hay tres y su función es doble: Actividad polimerasa. Va uniendo los desorribonucleotridostrifosfatos complementarios a la cadena original. Actividad exonucleasa. Elimina nucleótidos mal emparejados y trozos de ARN cebador

31. EXONUCLEASA POLIMERIZACIÓN POLIMERASA INICIACIÓN dirección función dirección función Actividad de las ADN polimerasas Junto a las enzimas que participan en la iniciación, en esta fase actúan las ADN polimerasas. elimina cebador 5’ 3’ I 5’ 3’ síntesis no 3’ 5’ reparación II 3’ 5’ 5’ 3’ reparación síntesis no III 3’ 5’ 5’ 3’ reparación síntesis no

32. La ADN polimerasa no puede actuar desde un principio, necesita un pequeño fragmento sobre el que empezar a añadir nucleótidos. Este primer fragmento es un trozo de unos 10 nucleótidos de ARN llamado cebador o primer, que presenta el extremo 3’ libre El primer es sintetizado por una ARN polimerasa o primasa, que actúa en la zona donde comienza la replicación. A partir de este fragmento, la ADN polimerasa comienza la adición de nucleótidos sobre el extremo 3’ libre. Este enzima recorre la cadena molde en sentido 5’3’ y sintetiza la nueva cadena en sentido 3’5’ (las cadenas de ADN son antiparalelas)

33. El mecanismo de elongación es distinto en las dos cadenas: En una de las cadenas, la hebra conductora, la síntesis es continua. En la otra cadena, la hebra retardada, se produce una síntesis a base de pequeños fragmentos de ADN (fragmentos de Okazaki). La síntesis de cada uno de los fragmentos de Okazaki necesita de su cebador correspondiente (sintetizado por la primasa). Los cebadores serán posteriormente eliminados por la ADN polimerasa I que rellena el hueco con desoxirribonucleotidos. Finalmente una ligasa une los fragmentos sueltos.

34. 3’ Una de las hebras se sintetiza de modo contínuo. Es la conductora o lider. 5’ Fragmentos de Okazaki 3’ La ADN polimerasa necesita un fragmento de ARN (cebador o primer) con el extremo 3’ libre para iniciar la síntesis. 5’ La otra hebra se sintetiza de modo discontinuo formándose fragmentos que se unirán más tarde. Es la retardada. El mecanismo de elongación La ADN polimerasa recorre las hebras molde en el sentido 3’-5’ uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3’. 5’ 3’ 5’ 3’ 3’ 5’ 3’

35. 1 2 Cebador Primasas Cebador 3 4 5 6 Hebra retardada Nuevo cebador Ligasas Hebra retardada Nuevo cebador El mecanismo de elongación La primasa sintetiza un cebador en cada hebra conductora de la burbuja de replicación. Las ADN polimerasa comienzan la síntesis de la hebra conductora por el extremo 3’ de cada cebador. La primasa sintetiza un nuevo cebador sobre cada hebra retardada. La ADN polimerasa comienza a sintetizar un fragmento de ADN a partir del nuevo cebador. Cuando la ADN polimerasa llega al cebador de ARN, lo elimina y lo reemplaza por ADN. La ligasa une los fragmentos de ADN.

36. Terminación del proceso La replicación termina cuando se unen todos los fragmentos de Okazaki de la hebra retardada

37. Corrección de errores Durante la replicación se puede producir un error en el apareamiento de bases con una tasa de 1/100.000 bases. Parte de estos errores se corrigen durante la replicación. La ADN polimerasa actúa como exonucleasa y elimina los nucleótidos mal apareados y rellena el hueco con los nucleótidos correctos. La ADN ligasa une los fragmentos resultantes. A pesar de todo, siempre quedan algunos errores (mutaciones)

38. Existen cinco tipos de ADN polimerasas (, , , , y  ).

39. Replicación en los eucariontes • Es muy parecida a la de los procariontes, salvo en algunas diferencias debidos a las propias diferencias en el material genético de procariotas y eucariotas: • El material genético de eucariotas esta dividido en varios cromosomas, mucho mas largos que el cromosoma procariota. • La replicación se origina simultáneamente en muchos puntos: los replicones (puede haber mas de6000 en un solo cromosoma). • Existen cinco tipos de ADN polimerasas (, , , , y  ). • El ADN eucariota está asociado a histonas, que se tienen que duplicar durante la duplicación para formar los nucleosomas. • Los nuevos nucleosomas se incorporan a la hebra retardada y los viejos se quedan en la conductora

40. 3’ Telómero 5’ Cebador Último cebador 3’ 5’ La ADN polimerasa polimeriza desde el extremo 3’ libre Eliminación de cebadores 3’ Hebra más corta 5’ Replicación en los eucariontes Cuando se elimina el último cebador, la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco, al no poder sintetizar en dirección 3’ - 5’. Debido a esto el extremo del cromosoma (telómero) se va acortando cada vez que la célula se divide. 3’ 5’ 5’ 5’ Esto se asocia al envejecimiento y muerte celular. 5’ 5’

41. MUERTE CELULAR Se puede dar de dos formas: Necrosis y apoptosis • Necrosis: • Se produce cuando la célula sufre un daño grave. • Comprende un estado irreversible de la célula. No se puede mantener la integridad de la membrana plasmática y hay un escape de elementos citoplasmáticos, desnaturalización de las proteínas por autólisis o proveniente de enzimas líticas de leucocitos vecinos, ya que la necrosis atrae los componentes de la inflamación. • Todos estos cambios condenan a la célula a perder su función específica, y quedan restos celulares que serán fagocitados por los macrófagos.

42. MUERTE CELULAR La apoptosis es una forma de muerte celular, que está regulada genéticamente. Es parte integral del desarrollo de los tejidos tanto de plantas como de animales pluricelulares. Cuando una célula muere por apoptosis, empaqueta su contenido citoplasmático, lo que evita que se produzca la respuesta inflamatoria característica de la muerte accidental o necrosis.

43. La apoptosis se puede producir en dos momentos: Durante el desarrollo embrionario: en este momento su función es eliminar las células innecesarias (como el tejido interdigital en la formación de los dedos) En un individuo adulto: para el recambio y renovación de tejidos, o la destrucción de la células que pueden presentar una amenaza para el organismo.

44. La apoptosis implica varios cambios en la célula: Cuando las células reciben la señal del inicio de apoptosis se suicidan fabricando una serie de proteínas letales como pueden ser: - Endonucleasas; que fragmentan el ADN - Hidrolasas y proteasas: que atacan al entramado celular.

47. Mitosis • Es la división del núcleo celular (fase M del ciclo celular). • Proceso exclusivo de eucariotas. • Se obtienen 2 células hijas, idénticas entre ellas y a la célula madre • Significado biológico: • Se mantiene el número de cromosomas. • Se mantiene la información genética. • Fases: • Profase y prometafase (profase tardía) • Metafase • Anafase • Telofase

48. Profase • Condensación de la cromatina (se hacen visibles los cromosomas(1). • Desaparece la membrana nuclear y el nucléolo (2). • El centrosoma ya esta duplicado (3). • Migración de centriolos hacia los polos (en células animales) (4). • Se forma de huso mitótico (5). • Formación de cinetocoros a ambos lados del centómero (6)

49. Metafase • Máximo grado de condensación en los cromosomas • Formación completa de huso acromático. • Cromosomas en plano ecuatorial empujados por microtúbulos cinetocóricos (1) • Centrómeros perpendiculares a los centriolos. • Las cromátidas se orientan hacia los polos de la célula

50. Anafase • Las cromátidas se separan. • Son arrastradas por los microtúbulos cinetocóricos (despolimerización). • Se alargan los microtúbulos polares por polimerización (se separan más los polos del huso acromático) • Anafase termina cuando llegan las cromátidas a los polos. Las cromátidas se separan y se desplazan hacia los centriolos, al tiempo que van desapareciendo las fibras del huso. En este momento ya se ha repartido el material hereditario (las cadenas de ADN) de forma idéntica en dos partes.