El 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.

unicelulares  reproducción 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

En procariotes: fisión binaria. 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 Se dividen cuando condiciones ambientales lo permiten (suficientes nutrientes) 1.6mm es 100 veces más largo que la célula misma. No es tan grande por que está empaquetado con proteínas cargadas positivamente! 7

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 La separación del DNA es un proceso activo llevado a cabo por el citoesqueleto procariota Citoquinesis 9

Prokaryotic Cell Division La separación del DNA es un proceso activo llevado a cabo por el citoesqueleto procariota 10

La mayoría tienen varios cromosomas (lineales). 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 Se dividen cuando condiciones ambientales lo permiten (suficientes nutrientes) 1.6mm es 100 veces más largo que la célula misma. No es tan grande por que está empaquetado con proteínas cargadas positivamente! 11

Meiosis ocurre en las células que producen gametos 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

Mitosis: División nuclear El ciclo celular Mitosis: División nuclear Citoquinesis (aparte) G2: Gap 2, la célula se prepara para mitosis Ej: sínt. microtúbulos G1: Gap 1, la célula se prepara para replicación Segundos-años!!! Aveces G0 (reposo) S : ADN se replica; un cromosoma se vuelve dos cromátides hermanas. Interfase! Transición de G1 a S

Eventos importantes son: 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. Evidencia de que sustancias químicas (moléculas) favorecen el paso de una fase a la siguiente: Experimentos de la fusión de células: células en G1 x Células en S  activación de la replicación de ADN

Qué eran estas “sustancias”? Control de la división Qué eran estas “sustancias”? Proteínas Enzimas Quinasas de proteínas: Enzimas que adicionan grupos fosfato a otras proteínas, i.e., fosforilan.

Transiciones en el ciclo celular 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!

Se vuelve kinasa activa fosforila proteínas 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 Qué hace fosforilación a proteínas? Descubiertas por estudios en huevos de peces

Este sustrato controla el ciclo celular (Ej: estimula replicación) Figure 9.5 Cyclin Binding Activates Cdk Cdk es activada por unión a una ciclina (regulación alostérica) expone su sitio activo. Este sustrato controla el ciclo celular (Ej: estimula replicación)

¿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

Diferentes ciclinas en diferentes fases. Libro: Molecular Cell Biology. Lodish et al. Diferentes ciclinas en diferentes fases. La concentración de las ciclinas cambia durante el ciclo http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cyclinexpression_waehrend_Zellzyklus.png

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

Para pasar el punto de restricción  proteína del retinoblastoma (RB) Control de la división Para pasar el punto de restricción  proteína del retinoblastoma (RB) RB normalmente inhibe el ciclo celular: Fosforiladainactiva 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

CICLINAS-CDK SON PUNTOS DE CONTROL Ejemplo: si el ADN es dañado 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

DISRUPCIÓN DE CICLO  CANCER 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. Todas estimulan a células a dividirse. Muchos tumores producen autónomamente este tipo de señales o no requieren de este tipo de señales para multiplicarse

¿Que es esto? http://www.mun.ca/biology/scarr/FISH_chromosome_painting.html

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

Empaquetamiento del ADN CROMOSOMAS en procariotes Normalmente ADN está condensado (proteínas básicas) Cromosomas circulares en la mayoría de procariotes (mito y cloro) El cromosoma extendido tendría un diámetro 200x mas grande que la célula misma.

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 5mm 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

ADN altamente condensado ADN suelto (nucleosomas) Cromosomas ADN altamente condensado ADN suelto (nucleosomas) Una copia del genoma Los cromosomas están altamente condensado en Mitosis y mucho mas relajados fuera de ella. El estado relajado permite que se lleven a cabo losprocesos de replicación y expresión de genes. En G1 tenemos una solo copia del genoma, Al finalizar S tenemos dos copias 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 G2M : Se van a polos opuestos (Define plano de división) Inicia formación de microtúbulos Plano de división no es tan importante para uni pero muy importante para multi

Los centrosomas se duplican en la fase S 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

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 Repaso Las fases del ciclo celular: Interfase: G1 S G2 Mitosis Citoquinesis pp http://www.youtube.com/watch?v=O3_PNiLWBj

Hay ciclinas especificas para cada fase del ciclo pp 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

Diferentes ciclinas en diferentes fases. Libro: Molecular Cell Biology. Lodish et al. Diferentes ciclinas en diferentes fases. La concentración de las ciclinas cambia durante el ciclo http://en.wikipedia.org/wiki/File:Cyclinexpression_waehrend_Zellzyklus.png

La concentración de las ciclinas varía de forma cíclica.

Mitosis 9.3 Mitosis MITOSIS: Origen de dos núcleos genéticamente idénticos entre ellos y al núcleo parental.

Preparación par ala 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 G2M : Se van a polos opuestos (Define plano de división) Inicia formación de microtúbulos Plano de división no es tan importante para uni pero muy importante para multi

Centrosoma: se duplica en interface. En G2/M van a polos opuestos Plano de división no es tan importante para uni pero muy importante para multi

Los centrosomas se duplican en la fase S 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 es continua pero puede ser dividida en fases: Profase Prometafase Metafase Anafase Telofase

Quinetocoros se desarrollan en las regiones del centrómero 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.

Huso tiene dos tipos de microtúbulos: 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 Centro mitótico es el lugar hacia donde se van a mover los cromosomas (donde están los centrosomas)

El huso mitótico está compuesto de microtúbulos

Desaparece membrana nuclear Mitosis PROMETAFASE Desaparece membrana nuclear Cromosomas empiezan a ser empujados hacia el plano ecuatorial.

Mitosis

METAFASE ANAFASE Todos los centrómeros llegaron al plano ecuatorial Mitosis METAFASE Todos los centrómeros llegaron al plano ecuatorial Cromosomas condensados al máximo ANAFASE Las cromátides hermanas se separan y se mueven en direcciones opuestas (cromosomas hermanos)‏

Cariotipo se hace en metafase suspendida El cariotipo humano Cariotipo se hace en metafase suspendida http://colombiamedica.univalle.edu.co/Vol39No2Supl2/htmlv39n2s2/v39n2s2a5.html Usando e.g., Colchicina

El número de cromosomas por especie tiene gran variabilidad

Unión y separación de las cromátides Qué está pasando con los cromosomas? Alguien hidroliza a securina (la unidad inhibitoria) Enzima Separasa hidroliza la cohesina Solo se activa por liberación de una unidad inhibitoria

Quién está separándolos? 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

Cromosomas se desenrollan  cromatina 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 PROFASE :Cohesina desaparece, excepto del centrómero; cromátides se hacen visibles. Quinetocoros, empieza a formarse el huso mitótico a partir de los centrosomas PROMETAFASE: Desaparece membrana nuclear, Cromosomas empiezan a ser empujados hacia el plano ecuatorial.

Figure 9.10 Mitosis (Parte 2)‏ METAFASE: Todos los centrómeros llegaron al plano ecuatorial, Cromosomas condensados al máximo ANAFASE: Las cromátides hermanas se separan y se mueven en direcciones opuestas (cromosomas hermanos)‏ TELOFASE: Huso desaparece, Cromosomas se desenrollan, Se re-forman la membrana nuclear y el nucléolo

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

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 ciclo No hay entrecruzamiento No se separan homólogos, se separan cromátides hermanas Clones….

Diferencias con mitosis: 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 Quiasmas se forman por que se estan entrecruzando los cromosomas pero a la vez se estan repeliendo Recombinación o entrecruzamiento: Entre secuencias homólogas entre cromosomas homólogos – Forman quiasmas Cromosomas 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 En prometafase I desaparece la envoltura nuclear y el nucleolo, se forma el huso y los microtubulos se unen al quinetocoro de los cromosomas. PRO I: Los pares de cromosomas homólogos se aparean Recombinación PROMETA I: Huso se forma

Meiosis Núcleos resultantes solo tienen un juego de cromosomas, cada uno con dos cromátides META: Ecuador ANA: Se separan TELO: (?) Forma núcleo Cromátides hermanas se unen a la misma mitad del huso  se separan los homólogos! Y están recombinados “Segregación al azar”

NO hay replicación antes!!! Meiosis NO hay replicación antes!!! Se parece a la mitosis en que se separan las cromátides hermanas

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 ciclo No hay entrecruzamiento No se separan homólogos, se separan cromátides hermanas Clones….

Mitosis y Meiosis

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

Comparación de mitosis y meiosis http://www.youtube.com/watch?v=Kr6I0sqqsS4

Cromátides recombinantes Segregación al azar (Independent assortment) 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.

Esto resulta en aneuploidía: cromosomas en exceso o faltantes 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

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