Biologia Celular

División Celular I: El Ciclo Celular

por Nathan H Lents, Ph.D., Donna Hesterman

Es difícil imaginar, pero las células presentes en un embrión pequeño ultimadamente generan todas las células que forman el cuerpo de un ser humano adulto.

Eso es cierto, las cientos de millones de células que forman el hueso y carne de su cuerpo son producto de miles de generaciones de división celular que comenzaron cuando usted era mas pequeño o pequeña que el punto al final de esta oración. Comenzó cuando una sola célula dividida en dos partes, luego se reorganiza y se divide en cuatro nuevas células (Figura 1). Cuatro células se convirtieron en ocho, después ocho se convirtieron en 16 células individuales con ADN idéntico. La cascada continuó hasta varias semanas después, millones de células se dividieron – dándole poder al crecimiento exponencial que eventualmente forma todos los órganos y tejidos del cuerpo.

cells dividing
Figura 1: La mayoría de las células de plantas y animales se replican al dividirse en dos células idénticas.

El descubrimiento de división celular

Walther Flemming, un profesor del siglo XIX en el Instituto de la Anatomía en Kiel, Alemania fue el primero en documentar los detalles de la división celular. El uso de microscopios para estudiar tejidos biológicos fue una tecnología emergente en los tiempos de Flemming, y se le consideraba como un innovador en esa área.

Flemming
Figura 2: Walther Flemming image © Wikimedia Commons

Siendo un profesor en Kiel, Flemming (Figura 2) experimento con una técnica utilizando tintes para pintar a los especímenes que el quería examinar bajo un microscopio. Los microscopios en la década de 1870 no estaban equipados con fuentes de luz eléctrica como están hoy en día, entonces teñir los especímenes le permitió verlos en mayor detalle. Encontró que los tintes de anilina eran particularmente útiles debido a que los diferentes tipos de tejidos absorbieron los teñidos en intensidades variables dependiendo en la química. El efecto fue que diferentes partes de una célula absorben mas tinte, en efecto “resaltándolos” como se ve en la figura 3, para revelar estructuras y procesos que eran invisibles anteriormente.

Cheek cells
Figura 3: Células teñidas (izq) y células desteñidas (der) image © Judith Beekman

Flemming utilizó estos tintes para estudiar células. Particularmente, se le interesó en el proceso de la división celular. Comenzó una serie de observaciones bajo el microscopio utilizando muestras teñidas de tejido de animal y encontró de que una masa particular de material dentro del nucleó de células no absorbían bien el tinte. No tenia nombre para ello en ese entonces pero le llamo “cromatina” de chroma, la palabra Griega que significa color (Zacharias, 2013). Flemming hizo dibujos de lo que vio debajo del microscopio para ilustrar varias publicaciones que el produjo en sus investigaciones (Figura 4).

Fleming cell drawing
Figura 4: Dibujo de célula de Flemming image © Wikimedia Commons

Flemming realizó muchos de sus experimentos con muestras de tejido de salamandras de fuego, una especie que habita en bosques el Norte de Europa debido a que la cromatina en su núcleo era grande en comparación a otros organismos disponibles para estudio. Después de muchas horas de observación, Flemming comenzó a ver un patrón en donde las células periódicamente hacen la transición de una etapa de descanso a una etapa de actividad frenética que convierte a un núcleo en dos y después separa la célula creando dos células – cada una con su propio complemento de cromatina envuelta en el núcleo.

Hoy en día llamamos mitosis al proceso de un núcleo dividiéndolo en dos núcleos y la división en si se llama citocinesis Los términos empezaron a ser usados muchos años después del descubrimiento de Flemming, pero el describió el proceso completamente en su libro Zur Kenntnis der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen (Al conocimiento de la célula y su fenómeno de la división) (Flemming, 1878).

Ciclos de vida celular

Los patrones alternos de actividad e inactividad que Flemming observo en sus muestras se les refiere comúnmente ahora como un ciclo de vida de una célula – o comúnmente llamado el ciclo celular. Diferentes tipos de células de animales - como hueso, piel, corazón o células de nervios – tienen diferentes ciclos celulares. Ciclos de vida varian entre tipos de células, pero todas las células eucariotas pueden ser desintegradas en 4 fases distintas: la fase G1, cuando la célula crece en preparación a una desintegración eventual: la fase S, en donde el ADN dentro del núcleo realiza una copia completa de ella misma; la fase G2, cuando la célula revisa y corrige cualquier error que pueda haber ocurrido durante la dulpicacion del ADN; y una fase M (por mitosis), cuando el núcleo de la célula se divide en dos núcleos idénticos, inmediatamente seguido por citocinesis - división celular. La duración y frecuencia de estas fases son diferentes para distintas tipos de células.

A este punto, es necesario el señalar que, mientras que todas las células vivientes son similares, la división celular es una de esas áreas en donde las células eucariotas (plantas, animales, hongos y protistas) son muy diferentes en comparación a la bacteria y procariotas. Esto se debe a que la bacteria y otras células simples no tienen un núcleo, entonces el proceso puede ser mucho mas simple. En efecto, la bacteria simplemente crece y se divide continuamente sin fases distinguibles entre una división y la próxima. El proceso por el cual procariotas se dividen se llama fisión binaria y el termino “mitosis” nunca se aplica a ellas.

Otra diferencia entre procariotas y eucariotas es que las procariotas tienen una cromosoma principal circular, mientras que las eucariotas típicamente tienen muchas cromosomas lineales. Cuando una procariota se divide, debe copiar el material genético y separar las dos copias entre las dos nuevas células que resultan de la división, igual que las eucariotas (Figura 5). Sin embargo, el proceso es diferente. En procariotas, la cromosoma circular es físicamente adjunta a un cierto punto de la parte interior de la membrana de plasma de la célula. Mientras que la célula copia el cromosoma en preparación a la división celular, adjunta la nueva copia en un lugar separado. De esta manera, las dos copias de la cromosoma son adjuntas separadas de si misma. Entonces, cuando la célula se divide en dos, la bacteria se asegura que ambas células tienen una copia de la cromosoma.

binary fission diagram
Figura 5: Fisión binaria de células bacterianas

En las células eucariotas mas complejas, las fases 1, S y G2 se les refiere colectivamente como interfase, ya que estas fases no se pueden distinguir solo viendo las células debajo de un microscopio. Inclusive células que están creciendo y dividiéndose rápidamente en nuestros cuerpos pasan aproximadamente 78% de sus vidas en interfase. Durante el interfase, las células eucariotas crecen al doble del tamaño, sintetizan nuevas hebras de ADN y se preparan para mitosis o citocinesis.

Algunas células, como las células epidérmicas entraran la fase mitótica y se dividirá frecuentemente a lo largo de su vida para poder acomodar cambios en tamaño al crecer un organismo o a generar nuevas células para reparar tejidos dañados por enfermedades o lesiones. Otras células, como células musculares, células del sistema nervioso y glóbulos rojos estarán en una fase permanente G0 sin volver a entrar a la fase mitótica. Incluyendo las células que están ocupados reproduciéndose constantemente a lo largo de sus vidas pasan bien poco tiempo en la fase mitótica (fase M) en comparación a otras fases de su ciclo de vida (Alberts, et al., 2002). La figura 6 ilustra como varias fases se comparan en longitud.

cell cycle lengths
Figura 6: Longitudes relativas de fases del ciclo celular

Punto de Comprensión

El proceso en el cual la célula se divide es mas complejo en células ______________

Experimentando con el ciclo celular

¿Entonces que causa que una célula permanezca en G0 en vez de pasar a las fases de G1 a fase-S, G2 y después a mitosis? Arthur Pardee, un bioquímico trabajando en la Universidad de Princeton, fue uno de los primeros en examinar esa pregunta. Experimentó con culturas vivas de células de hámsteres para encontrar lo que el llamaba el “punto de restricción.” Pardee hipotetizó de que tiene que haber un solo punto de decisión en el ciclo de vida de la célula en donde la célula se compromete a uno de dos caminos: un camino que lleva hacia la división celular y otro que mantiene a la célula en estado inactivo G0 (Figura 7).

cell cycle
Figura 7: El punto de restricción, “R,” tarde en la fase G1

Pardee comenzó restringiendo la cantidad de nutrientes y hormonas disponibles a las culturas experimentales para ver si se podía detener el progreso de las células hacia la división celular. Hizo esto para remover el crecimiento de señales en diferentes intervalos de tiempos. Después de que los ciclos sean detenidos, intento volver a empezar el ciclo agregando señales de crecimiento. A lo largo de estos experimentos, Pardee tuvo cuidado para programa cada cultura para ver cuanto se tardaba en volver a entrar a la fase-S y la mitosis.

Pardee comenzó restringiendo la cantidad de nutrientes y hormonas disponibles a las culturas experimentales para ver si se podía detener el progreso de las células hacia la división celular. Hizo esto para remover el crecimiento de señales en diferentes intervalos de tiempos. Después de que los ciclos sean detenidos, intento volver a empezar el ciclo agregando señales de crecimiento. A lo largo de estos experimentos, Pardee tuvo cuidado para programa cada cultura para ver cuanto se tardaba en volver a entrar a la fase-S y la mitosis.

Pardee llamo al punto en donde las células detuvieron el “punto de restricción” e hipotetizó de que funcionaba como un “punto de no retorno”. En otras palabras, si las señales de crecimiento están presentes, las células siguen adelante y una vez que pasan el punto de restricción, completan su ciclo actual – inclusive si se quitan las señales de crecimiento. Algunas personas aun se refieren al punto de restricción encontrado en la fase G1 de todas las células mamíferas como el “punto Pardee”. Es el punto en el ciclo de vida en el cual la célula se compromete a un camino hacia la división o deja la proliferación y entra a la fase G0. Los científicos luego encontraron que otro punto en G0 que detiene la división celular si el ADN no fue sintetizado adecuadamente durante la fase-S.

Pardee publicó sus resultados en 1974 (Pardee, 1973). Al mismo tiempo los científicos en el Centro Medico de la Universidad de Colorado comenzaron a experimentar con una línea especial de células humanas de cancel, llamadas células HeLa, para ver si podían hacer que las células regresaran para atrás en el ciclo celular o saltar de una etapa a otra fuera de orden. Utilizaron las células HeLa debido a que ellas se proliferan rápidamente y pueden mantenerse vivas infinitivamente en un laboratorio. En sus experimentos, el equipo fusionaba diferentes células HeLa que estaban en diferentes fases del ciclo celular. Querían ver si podían “engañar” al núcleo en una fase del ciclo a entrar a otra fase fusionando con el citoplasma de la célula en una diferente fase.

Lo que encontraron fue muy interesante. Encontraron de que cuando fusionaban una célula G1 junto con una célula fase-S, el núcleo de la célula G1 rápidamente entro a la fase-S. Predijeron de algo en el citoplasma de la célula fase-S causó que el núcleo G1 comenzara la síntesis de ADN y entrar a la fase-S. Sin embargo, cuando fusionaron una célula G2 con una célula fase-S, el núcleo G2 no entraría la fase-S. Debido a que el núcleo G2 ya había duplicado su ADN, no entraría otra fase-S y reduplicar su ADN.

Debido a que el núcleo fue engañado para moverse adelante en el ciclo no para atrás, este experimento ingenioso revelo de que las células pueden proceder con el ciclo celular en una sola dirección. Adicionalmente, sus resultados confirmaron lo que muchos científicos han sospechado – existen factores en el citoplasma de células que controlan el progreso a través de etapas del ciclo celular. La búsqueda para encontrarlos empezaba (Rao & Johnson, 1970).

Punto de Comprensión

¿Cuál es el resultado de remover señales de crecimiento en una célula después de que ha pasado el punto de restricción?

Controlando el ciclo celular

Varios años después de los experimentos en Colorado, Tim Hunt, el bioquímico Inglés, comenzó a buscar factores que controlan la división celular y otras actividades del ciclo de vida. Encontró sus respuestas mientras llevaba a cabo investigación como profesor visitante el Instituto Oceanográfico Woods Hole en Massachusetts.

Hunt comenzó buscando una proteína que pudo haber sido responsable en provocar las varias etapas de la división celular. Obtuvo la idea de la investigación que mostraba que las células no entrarían en la fase mitótica si se trata con dragas que inhibe la síntesis de proteína. Esto significaba de que las células tenían que hacer algunas nuevas proteínas para poder comenzar la mitosis. La pregunta fue “¿Cuales son estas proteínas que causan el la mitosis?” Las proteínas, sin embargo, no pueden ser vistas debajo del microscopio en el ambiente bullicioso de células vivientes. Entonces Hunt, igual a Flemming, tenia que ser innovador para adaptar una herramienta de la bioquímica, llamado marcaje radioactivo, para uso en sus experimentos.

Hunt inyecto aminoácidos radioactivos en un huevos de erizos de mar (Figura 8) para ayudarlo a “ver” proteínas en la misma manera que Flemming había utilizado sus tintes para resaltar el cromatina que quería ver. Ya que los huevos utilizaron el aminoácido radioactivo para sintetizar nuevas proteínas, las proteínas generadas serian marcadas con radioactividad y visibles siendo vistas con dispositivos de imágenes de radiografía.

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Figura 8: Huevos de erizos de mar como estos son comúnmente utilizados en al investigación debido a que son casi completamente transparente image © Wikimedia Commons

Utilizando la técnica de bio-marcaje, Hunt llevaba control de nuevas proteínas al ser desarrolladas en los huevos de erizos de mar con el tiempo y encontró de que los niveles de una proteína en partículas se elevaría y caería en intervalos regulares mientras la célula entraba a la fase mitótica. Los niveles se construirían dramáticamente justo antes del mitosis y después caer de repente antes de la división celular. Parece que Hunt había encontrado su proteína misteriosa (Evans et al., 1983).

Hunt llamo a su proteína “ciclina” – una que ahora sabemos que es parte integral del sistema de control del ciclo celular. Ciclinas trabajan juntos con una familia de enzimas llamadas quinasas para controlar el ciclo celular. Estas quinases no se encuentran en el citoplasma de las células, pero no como las ciclinas, las quinasas no se acumulan ni desaparecen con el tiempo. Las quinasas del ciclo celular existen en niveles relativamente constantes en un estado latente en la citoplasma de células hasta se activan por las ciclinas. Cuando se activan, estas quinasas dependientes de ciclinas, o CDKs, activan una cadena de reacciones que inician la replicación de ADN, la mitosis y otros eventos en el ciclo de vida de una célula.

Punto de Comprensión

Hunt inyecto aminoácidos radioactivos a huevos de erizos de mar para poder ver

Puntos de control en el ciclo celular

A pesar de que son las ciclinas y los CDK las que manejan cuando las células eucariotas entran una fase, un sistema depende en puntos de control como el que se descubrió por Pardee para asegurar que todos los sistemas están listos antes de lanzarse a la fase mas critica en el ciclo – el síntesis de ADN, y después de eso, la mitosis. El sistema de control del ciclo celular mantiene el ciclo de vida moviéndose en una manera ordenada, igual a un temporizador mecánico en una lavadora asegura que la ropa se lave, se enjuague y se centrifugue en la orden correcta. El sistema de control del ciclo celular, igual a un temporizador de una lavadora, es automático, unidireccional y depende en señales en ciertos puntos de control para mantener que el proceso se mueva hacia delante (Figura 9).

cell cycle checkpoints
Figura 9: Puntos de control aseguran de que el ciclo celular puede ser detenido si algún daño o error es detectado.

Tim Hunt quien descubrió los ciclines, ganó un Premio Nobel en la medicina en el 2001, junto con Paul Nurse, quien descubrió los CDK. También compartieron el premio con Leland Hartwell, quien fue el pionero de la investigación de los puntos de control del ciclo celular.

La red de proteínas que forman el sistema de control del ciclo celular manejan una serie extremadamente compleja de operaciones que permiten las células en nuestros cuerpos – y esas en todas las plantas y animales a nuestro alrededor – para crear y sostener vidas. Desde la cuidadosa replicación de ADN que se convierte en los planos de la vida para nuevas células hijas hasta la separación final que convierte a una célula en dos durante la citocinesis, cada fase debe pasar sin ningún error – millones y millones de veces durante la vida de un organismo. La mayoría del tiempo el proceso funciona sin problema. Sin embargo, errores ocasionales ocurren o el sistema de control celular se daña. Cuando esto ocurre, el resultado puede ser desastroso para la célula y hasta puede causar cáncer. De hecho, debido a que la característica principal de una célula de cáncer es un crecimiento constante, al cáncer comúnmente se le refiere como una enfermedad en el ciclo celular.

Resumen

Cell division is an enormously complex process that must go on millions and millions of times during the life of an organism. This module explains the difference between binary fission and the cell division cycle. The stages of cell division are explored, and research that contributed to our understanding of the process is described.

Conceptos Clave

  • La mayoría de las células que forman a organismos mas complejos como animales, como los animales vertebrados y plantas con flores, se reproducen via un proceso llamado división celular.
  • En la división celular, las células hace una copia de su ADN y después se separa en dos células idénticas - cada una con su propia copia de ADN envuelta dentro del núcleo.
  • El termino mitosis se refiere específicamente al proceso en donde el núcleo de la célula madre se divide en dos núcleos idénticos.
  • NGSS
  • HS-C6.2, HS-LS1.B1
  • Referencias
  • Alberts. B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell, 4th edition. New York: Garland Science; Accessed online at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26824/ on March 20, 2013.
  • Campbell, Neal A., & Reece, Jane B. (2005). Biology, seventh edition. Pearson Benjamin Cummings.
  • Evans, T., Rosenthal, E., Youngblom, J., Distel D., & Hunt, T. (1983). Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division. Cell, 2, 289-386.
  • Flemming, W. (1878). Kiel. Zur Kenntniss der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen. Accessed online at: http://www.schriften.uni-kiel.de/Band%203/Flemming%20(23-27).pdf March 20, 2013.
  • Jackson, Peter K. (2008). The Hunt for Cyclin. Cell, 134, 199-202. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jmsierra/documents/Jackson2008Cell.pdf.
  • Pardee, A. (1973). A Restriction Point for Control of Normal Animal Cell Proliferation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 71, 1286-1290.
  • Rao, P. & Johnson, R. (1970). Mammalian cell fusion: Studies on the regulation of DNA synthesis and mitosis. Nature, 224, 159-164.
  • Zacharias, Helmut. Famous scholars from Kiel. Accessed online at http://www.uni-kiel.de/grosse-forscher/index.php?nid=flemming&lang=e

Nathan H Lents, Ph.D., Donna Hesterman “División Celular I” Visionlearning Vol. BIO-3 (5), 2013.