TEMA 13 – CICLO CELULAR (APUNTES+RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS) PDF

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1. CICLO CELULAR.
1.1 PROGRESIÓN DEL CICLO CELULAR.
1.2 CONTROL MOLECULAR.
2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL DEL TIEMPO.
2.1 MODO DE ACCIÓN DE LAS CICLINAS Y QUINASAS.
3. CONTROL INTRACELULAR DEL PROGRESO DEL CICLO.
4. CONTROL EXTRACELULAR DEL PROGRESO DEL CIC...

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BIOLOGÍA CELULAR TEMA 13 – CICLO CELULAR. CRECIMIENTO Y PROLIFERACIÓN CELULAR. FACTORES DE CRECIMIENTO. CÁNCER. SENESCENCIA Y MUERTE CELULAR. NECROSIS Y APOPTOSIS. 1. CICLO CELULAR. 1.1 PROGRESIÓN DEL CICLO CELULAR. 1.2 CONTROL MOLECULAR. 2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL DEL TIEMPO. 2.1 MODO DE ACCIÓN DE LAS CICLINAS Y QUINASAS. 3. CONTROL INTRACELULAR DEL PROGRESO DEL CICLO. 4. CONTROL EXTRACELULAR DEL PROGRESO DEL CICLO. 4.1 FACTORES MITÓGENOS. 4.2 FACTORES DE CRECIMIENTO. 4.3 FACTORES DE SUPERVIVENCIA. 4.4 TEORÍA TRÓFICA. 5. NECROSIS Y APOPTOSIS. 5.1 MORFOLOGÍA DE LA APOPTOSIS. 5.2 DESENCADENAMIENTO DE LA APOPTOSIS. 5.3 FRAGMENTACIÓN DEL ADN EN APOPTOSIS. 5.4 ENVEJECIMIENTO CELULAR. 6. CÉLULAS CANCEROSAS 7. DETERMINACIÓN Y MEMORIA CELULAR. 8. CÉLULAS MADRE. 8.1 CRECIMIENTO DE UN ORGANISMOS A PARTIR DE UNA SOLA CÉLULA.

1. EL CICLO CELULAR. En un microscopio solo podemos observar la parte de la mitosis del ciclo celular. Entre mitosis y mitosis no se puede distinguir visualmente el proceso, pero se denomina interfase. Vamos a tener dos tipos de ciclos: un ciclo cromosómico (replicación exacta del DNA) y un ciclo citoplásmico (duplicación de materiales). Fases del ciclo: · Fase de crecimiento I (G1): en esta parte del proceso la célula es diploide, es decir, su dotación es 2n. · Fase de síntesis (S): duplica su DNA. Mediante la replicación, la cantidad de ADN de la célula pasa de 2n a 4n, por lo que las células tendrán una cantidad variable de ADN entre 2n y 4n. · Fase de crecimiento II (G2): ya se ha producido la duplicación del ADN, luego la célula tiene una dotación de 4n. · Mitosis (cariocinesis+citocinesis). La mitosis solo puede ocurrir si las fases anteriores se han completado correctamente. Para el control de estos ciclos se analizan cambios internos y externos para controlar. Si las condiciones no son favorables la célula permanece en G1. La proliferacón de la mayoría de las células animales se regula en la fase G1. En esa fase hay un punto de decisión, denominado punto de restricción (R). Este punto suele superarse si hay factores de crecimiento. Una vez superado, las células entran en la fase S y el resto del ciclo celular (aunque ya no haya factores de crecimiento). Si los factores de crecimiento adecuados no están disponibles en G 1, la proliferación a través del ciclo celular se para en el punto de restricción y la célula entre en estado de reposo (G0 o fase G1 quiescente), en el que puede permanecer indefinidamente sin proliferar. 1.1 PROGRESIÓN DEL CICLO CELULAR. Encuentro una progresión exponencial, al ser más grande, puede crecer más rápido. Por esto el crecimiento se acelera. Se puede utilizar bromo deoxi-uridina, timidina tritiada o fluorescencia como métodos de estudio del ciclo celular. 1.2 CONTROL MOLECULAR. Existen un control molecular. Los primeros experimentos eran diversos y ayudan a entender cómo funciona y cómo se dedujo el funcionamiento del ciclo celular. Lo primero se encontró el factor promotor de la mitosis: cuando lo inyectabas en el citoplasma de una célula esta entraba en mitosis sin importar en qué fase estuviera. Después se utilizaron heterocariontes. El truco era encoger distintas células en distintas fases y fusionarlas y ver qué se podía deducir. Si cogíamos una célula en fase G1 y una célula en fase S lo que se veía era que

la célula que estaba en G1 entraba en fase S. Se concluyó que había una sustancia que promovía la fase S. Si juntamos una célula que estaba en fase S y otra en G2. La célula que estaba en G2 no entraba en fase S. Esta sustancia solo se activa una vez por ciclo, por eso no volvía. Si mezclas una célula en G1 y otra en G2, el núcleo G2 se esperaba a que el que estaba en G1 llegara a G2. Si juntabas una célula en mitosis con otra que no lo estuviera (en cualquier fase) esta última intentaba entrar en mitosis, pero no lo conseguía. Hay un factor que una vez inoculado en las células activaba la mitosis. El ciclo celular va a ser como un temporizador que va a poner las fases en orden, sino que va a controlar cuánto dura cada fase. Y van a ocurrir pasado un tiempo determinado, tiene que haber un control de esos eventos y un indicador para que cada fase ocurra solo una vez. Cada fase que se comience ha de acabar. Si no ocurre así, la célula deja de ser viable. Ese reloj debe tener puntos de controles que permite que se adapte a unas cosas y a otras. Ese punto de control que va a estar presentes de una fase a otra. Se han cumplido una serie de reglas y se ha finalizado la fase anterior. La mayor parte del control se genera por señales negativas, hay sustancias que bloquean el avance del ciclo. Existe también promotoras, pero en mucha menos cantidad. Si el cromosoma no se une al huso mitótico no se avanza de la anafase. Si hay algo que no está correctamente unido no avanzará. 2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL DEL TIEMPO. Encontramos las ciclinas (‘la arena del reloj de arena’) se producen lentamente y se van acumulando con el tiempo. Estas ciclinas están acopladas quinasas que fosforilarán algunas sustancias y producirán cambios reales. Ambas funcionan a la par. Para llegar a ciertas fases hay que superar sistemas de inhibición. Hay una inhibición para que una célula pase de G1 a S y hasta que no se supere no podrá avanzar. Se superan mediante degradación: ubiquitinización. En cada fase, en las partes cruciales, destruimos la maquinaria de inhibición, de esta forma no hay marcha atrás. El ciclo es unidireccional porque el ciclo es degradativo. Otros dos puntos importantes es el de metafase y anafase y el fin de todo. En la última fase se degradan todas las ciclinas y comienza de cero. La maquinaria que va a controlar el avance del ciclo son las ciclinas y las CDK (quinasas dependientes de ciclinas). Cada fase presenta su ciclina o ciclinas particulares dependiendo de la fase las ciclinas pueden ser similares o diferentes. En el caso de las levaduras, la herramienta de la fosforilación es siempre la misma. En mamíferos encontramos una combinación de variedades de ciclinas y quinasas. Las distintas

quinasas afectan a distintas proteínas. Controlan su función. En mamíferos el acoplamiento es la siguiente: en la fase G1 encontramos CFK4,6 que se acoplan con ciclinas D, en la fase S las quinasas CDK2 interacciones con ciclinas E y por último, en la fase M CDK1/Ciclina B. 2.1 MODO DE ACCIÓN DE LAS CICLINAS Y QUINASAS. ¿Cómo funcionan las ciclinas y las quinasas? La activación de las ciclinas y de las CDK se realizan mediante fosforilaciones. Las CDK fosforilan otras cosas, pero también pueden ser fosforiladas. El que induce que las fosforilen o se autofosforilen es la unión con la ciclina. Cuando tiene unida la ciclina, y dependiendo de varios factores, podemos oxidar más o menos las CDK. La CDK fosforilada es activa, pero la hiperfosforilada es inactiva. Existen sistemas que cuando se forman dímeros o complejos pueden formar la fosforilación y de esta manera activarlas o desactivarlas para que se pase a la siguiente fase del ciclo. Esto abre la posibilidad ya que existen estos sistemas de fosforilación de regular estas enzimas y controlar, mediante otros aspectos, cómo están actuando. La inactivación de un complejo actina-CDK mediante actinas que se unen a él. La proteína p27 tiene mucho que ver con el cáncer cuando está estropeada. Esta proteína se puede unir al complejo actina-CDK y no le deja actuar. Hasta que no sea eliminada no podrá funcionar la CDK. Esta proteína se activa y se une cuando hay daño en el ADN. Al haber deterioro no se puede avanzar el ciclo celular y hay que bloquear el ciclo celular. Dejan avanzar a muchas células que tienen daño en el ADN. Estas ciclinas se pueden eliminar en varios pasos por la unión de ubiquitina. Cuando es ubiquitanizada, la situación de bloqueo es destruida y se puede avanzar. Cuando hay anafase y metafase se puede avanzar. Va a activar una cascada de ubiquitinizaciones que va a destruir las ciclinas y por lo tanto a inactivar este complejo. Las CDK no desaparecen: solo hay degradación de las ciclinas y de los factores de bloqueo. La ciclina E combinada con la CDK2 hará que entre en fase S. Esta quitina aunque se haya sintetizado durante la fase G1 de nuevo vuelve a estar bloqueada, pero con un mecanismo más complejo. Si en la célula hay una cadena que tiene algún cambio o mutación, algunas proteínas tratarán de arreglarlo. Degradan el fragmento que no encaja y como es de doble cadena se sintetiza de nuevo la hebra desaparecida. Si este bloqueo desaparece, porque el ADN está perfecto y hay suficientes ciclinas de la fase S se degradarán las proteínas que bloquean y se pasará a la siguiente fase. Se acaba la fase S y se entra en la fase G2. El punto de control está para entrar en mitosis o no. Los controles son similares, pero se toman más tiempo. Por un lado, se intenta ver que el ADN no esté dañado y que no haya ADN sin replicar. La célula sabe si el ADN está replicado por los dominios cromosómicos (cuando el ADN se duplica en la fase S se quedan unidas mediante proteínas). Durante la fase G2 están unidas y genera una respuesta. Si hay sitios del ADN que no tiene una cadena equitativa al lado se activa un mecanismo para que no se avance hasta la mitosis. Hasta que todos los cromosomas no han sido ocupados no se pasan a la siguiente fase. Hay un compuesto promotor de la anafase que continuamente controla esto. Hasta que no

quedan unidos no se activa. Se activa y van a destruir las proteínas que mantienen unidas las dos cromátidas. Este punto de control lo tenemos al final de la metafase. 3. CONTROL INTRACELULAR DEL PROGRESO DEL CICLO. En la interfase lo que se controla es: el ADN dañado no se debe replicar, solo se debe replicar el ADN una vez por ciclo. La mitosis nunca debe comenzar antes de finalizar la replicación. Durante la mitosis los puntos clave son: que no queden centrómeros sin ocupar, la fase M no puede continuar hasta la correcta segregación de los cromosomas, se necesita la degradación de las proteínas para que la célula salga de la mitosis. El ciclo celular se debe poder controlar por los factores externos. 4. CONTROL EXTRACELULAR DEL PROGRESO DEL CICLO. ¿Cómo se controla extracelularmente el progreso del ciclo? Los factores extracelulares que afectan el ciclo se agrupan en tres tipos: factores mitógenos, factores de crecimiento o factores de supervivencia. 4.1 FACTORES MITÓGENOS. Los factores mitógenos estimulan la división celular. Son sustancias que hacen que la célula salga de la fase G0 y entre en el ciclo celular. Ejemplos: PDGF (factor de crecimiento derivado de plaquetas), EGF (factor de crecimiento epidérmico) y eritropoyetina. Cuando no hay mitógenos la célula se queda como diploide (G1 o G0). Los mitógenos activan los CDK del G1 para pasar a la fase S. 4.2 FACTORES DE CRECIMIENTO. Los factores de crecimiento hacen que la célula crezca, pero no que se divida. Activan una serie de mecanismos que aumenta la síntesis de proteínas y reduce la degradación. Un factor de crecimiento solo implica hipertrofia celular y no división. Estas sustancias incrementan y hacen que el cuerpo crezca más rápido. 4.3 FACTORES DE SUPERVIVENCIA. Los factores de supervivencia son menos evidentes. Son sustancias que necesita la célula para sobrevivir. Su función no es análoga a los nutrientes, el factor de supervivencia no se necesita para mantener el metabolismo, sino porque las células están programadas para que si no reciben estos factores entren en un proceso de apoptosis. Todas las células están integradas de esta forma. Estas sustancias no sirven para nada en concreto, solo para bloquear los mecanismos de muertes. Cualquier célula que no cumpliera su función no recibiría estos factores de supervivencia y, por tanto, moriría. 4.4 TEORÍA TRÓFICA. Las poblaciones celulares del organismo se ajustan por los factores tróficos. Cuando se forma nuestro cerebro las neuronas se pueden ordenar de forma perfecta, pero no es así porque sería un proceso cinéticamente desfavorable. Se forman cantidades inmensas de neuronas y comienza como una ‘carrera’, las que lleguen a su destino sobrevivirá y los que no mueren. Si hay más cantidad de la necesaria solo unas pocas recibirán estos factores ya que su cantidad está limitada. 5. NECROSIS Y APOPTOSIS.

La muerte celular programa se denomina apoptosis. Forma parte del proceso de diferenciación celular. La muerte celular no programada se denomina necrosis y se debe por la falta de nutrientes, por daño o energía. La apoptosis es un proceso natural que está en todas las células con núcleo. Está activo por defecto y debe bloquearse continuamente. La necrosis provoca una hinchazón y lisis de la célula. Una inflamación donde acuden macrófagos. En la apoptosis, es un proceso que está regulada por una cascada que se denomina caspasas, promueven la liberación del citocromo C de la mitocondria como punto de no retorno. Cuando se llega al paso donde se estropea la membrana externa mitocondrial y el citocromo C se libera al citoplasma ya no hay vuelta atrás. Otro fenómeno es el flipping. Las células de apoptosis activan sus escramblasas y los fosfolípidos de las dos monocapas se igualan van a salir fosfolípidos en la cara extracitoplasmática que nunca habían aparecido y esto va a permitir que otras células fagociten estos fragmentos exteriores. Se va a producir una condensación del ADN y posteriormente una degradación por endonucleasas. En la necrosis la célula sigue entera, pero en proceso de rotura. En la apoptosis, la célula entera se va desintegrando en cuerpos más pequeños que, posteriormente, serán degradados por fagocitosis. 5.1 MORFOLOGÍA DE LA APOPTOSIS. La apoptosis tiene una morfología curiosa, aunque hay algunas muertes programas que no siguen este patrón. La cromatina se condensa en la periferia en forma de anillos. Luego comienza a fragmentarse y se van formando partículas. Los retículos y otros orgánulos siguen funcionales. Se sigue condensando el citoplasma formando unos ‘blebs’. La morfología de una sola célula presenta esferas separadas. Esta es la morfología más clásica. Las proteínas que dirigen este proceso están formadas por un tipo especial denominadas caspasas. Es un acrónimo (cysteine-aspartic-acid-protease), se activan por proteones y al cortarse la enzima empieza a estar activo. Las caspasas son las que trocean la célula. Encontramos caspasas iniciadoras y caspasas receptoras que son las que van a realizar la destrucción de la célula. Típicamente caspasa 9 y caspasa 3. 5.2 DESENCADENAMIENTO DE LA APOPTOSIS. Este mecanismo se puede activar de dos modos distintos. Bien, la célula advierte una característica errónea y toma la decisión de activar sus caspasas (vía intrínseca o ‘desde dentro’). Se desencadena por la liberación de citocromo C por las mitocondrias. Además, las células presentan ‘botón de autodestrucción’ que puede ser activado desde dentro. Proteínas de membrana que si se unen entre ellas activan estas cascadas y provoca la muerte Dentro de la vía intrínseca estarían diversos tipos de estrés celular, como: agotamiento de factores de crecimiento, es decir, a la célula no le llegan los factores necesarios y toma la decisión activando sus mecanismos internos de entrar en apoptosis y desaparecer, también pueden acontecer daños del ADN. El ADN dañado es una de las formas más peligrosas de estrés celular, ya que las células con genomas dañados pueden portar mutaciones que pueden desencadenar el desarrollo de un cáncer (como vimos, varios puntos de control del ciclo celular detienen la progresión del ciclo como repuesta al ADN dañado, lo que hace posible la reparación de estas lesiones) o, ya bien, infecciones virales.

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En la vía extrínseca o ‘desde fuera’ los natural killers se unen a las proteínas de membrana y tratan de averiguar el estado de funcionamiento de la célula. Si encuentran algo anormal desencadenan la cascada de apoptosis (vía extrínseca). 5.3 FRAGMENTACIÓN DEL ADN EN APOPTOSIS. Es anecdótico, pero es interesante. ¿Cómo se degrada el ADN en apoptosis? Si dudas entre si la muerta ha sido programada o no, es tan sencillo como ver el ADN. Si las células han muerto por necrosis, el ADN está fragmentado en múltiples longitudes distintas, pero si ha muerto por apoptosis, por endonucleasas, las caspasas habrán cortado las hebras de ADN en un rango de longitud determinada, entonces vemos un patrón en forma de escalera. Infarto cerebral: si el infarto dura mucho, las células morirían por necrosis. Si el infarto dura poco, las células mueren días después por apoptosis. Una persona que ha sufrido un infarto cerebral puedes tratar de aplicarle tratamientos para que sus células no entren en apoptosis. 5.4 ENVEJECIMIENTO CELULAR. Cuando se empezaron a hacer cultivos celulares, estos no duraban mucho, pero había algo que no acababa de funcionar. Al pasar unos meses, las células se negaban a crecer y morían. Se llegó a la conclusión de que se habían hecho viejas y morían. Esto se denomina Límite de Hayflick. Las células de la línea somática solo pueden dividirse en torno a un valor específico de veces máximas. En cuanto se supieron esas cosas, se han buscado terapias que aumentaran este proceso. ¿Por qué las células entran en este límite y cómo se puede alargar? Hay diversas causas, pero entran más en la filosofía que en las ciencias. El metabolismo alto es uno de los factores que promueven el envejecimiento, si reducimos las calorías que uno consume la vida se alarga. Estos se han comprobado en gusanos, drosophila, ratones. En estos últimos se alargó la vida hasta 2/3 de la esperanza total. Cuanto más lento es el metabolismo se alarga la vida porque hay menos divisiones celulares y porque hay menos daño oxidativo (lo último no demostrado). El abuso de este tipo de estrategias lleva a una serie de problemas como anorexia que, al final, te acaban acortando la vida. De toda la vida que hacer mucho deporte te acorta la vida. Se desarrollan terapias con vitamina C y antioxidantes (melatonina), se han probado en gusanos y ha funcionado. El envejecimiento se debe al acortamiento de los telómeros, el ADN es lineal y está fortalecido en las zonas de GC que en TA. Cada vez que se duplica el ADN, los telómeros no se duplican del todo. Las últimas partes se caen. Hay un momento en que los extremos desaparecen y se vuelven inestables. Se van estropeando genes y hace que la célula no pueda seguir dividiéndose. Las células de la línea germinal tendrían un mecanismo especial que alarga los telómeros para que esto no ocurra. Se denomina telomerasa. El hámster sirio tiene telomerasa en todas sus células. Existen animales sin telomerasa, es decir, no regeneran sus telómeros y pueden tener descendencia (no muy alargada en el tiempo).

6. CÉLULAS CANCEROSAS. ¿Cuáles son los factores que provocan que un cáncer sea potente? Los mecanismos de apoptosis, envejecimiento celular y otras hacen que una célula que no cumpla todas las condiciones lo tenga difícil de sobrevivir. Hay múltiples mitosis en un segundo, es muy probable que algo salga mal. Imaginemos una célula que empieza a dividirse por su cuenta hasta llegar al límite de Hayflick. Los linfocitos van escaneando y en cuanto encuentran una fuera de serie la degradan. Es un mecanismo de seguridad. El primer factor para la prolongación en el tiempo de una célula cancerosa es encontrar un vaso sanguíneo. A una distancia mínima de 50 micras. Si los vasos sanguíneos no crecen encima del tumor se forma un quiste (masa sólida que crece cuyo interior no recibe nutrientes, solo las del borde). Un quiste no es especialmente peligroso. Otro factor es conseguir una cierta capacidad de invasión para atravesar membranas basales, permitir movimiento por el tejido conjuntivo. Si no tiene este factor, solo crecerá en el lugar donde ha salido. Solo peligroso si es en el cerebro o la médula espinal. Por supuesto, hay que superar el límite de Hayflick, se tienen que volver ‘inmortales’. Hay que desactivar los mecanismos que provocan la apoptosis, de modo que no puedan ser activados desde fuera por los linfocitos. A un nivel más básico las células se han de volver insensible tanto a los factores que bloquean el crecimiento y deben ser autosuficientes respecto a los factores de crecimiento. Si desactivamos la cascada solo recibiremos señales, pero no sufriremos nada. Las células cancerosas se van especializando y s...