19.2: División celular bacteriana y ciclo celular eucariota

La vida de las bacterias en crecimiento activo no se separa en un tiempo para duplicar genes (es decir, síntesis de ADN) y uno para la fisión binaria (dividir y dividir el ADN duplicado en nuevas células). En cambio, el único cromosmoma circular de una bacteria típica se está replicando incluso antes de que se complete la fisión, de manera que las nuevas células hijas ya contenían cromosomas parcialmente duplicados. El crecimiento celular, la replicación y la fisión se ilustran a continuación.

339 Fsión binaria

El ciclo de vida de aproximadamente 30-60 minutos de una bacteria en crecimiento activo no se divide en fases discretas. Por otro lado, las células eucariotas típicas tienen un ciclo celular de aproximadamente 16-24 horas (dependiendo del tipo de célula) que se divide en cuatro fases separadas. A finales del siglo XIX, la microscopía óptica reveló que algunas células perdieron sus núcleos mientras formaban cromosomas (de croma, coloreados; soma, cuerpos). En la mitosis, se observó que los cromosomas pareados unidos (cromátidas) se separaban y se arrastraban a lo largo de las fibras del huso hacia polos opuestos de las células en división. Así, los cromosomas homólogos se repartieron por igual a las células hijas al final de la división celular. Debido al mismo comportamiento cromosómico que se observó en la mitosis en diversos organismos, los cromosomas pronto fueron reconocidos como materia de herencia, ¡el portador de genes!

El corto período de intensa actividad mitótica estuvo en marcado contraste con el tiempo mucho más largo de 'silencio' en la vida de la célula, llamado interfase. Los eventos de mitosis en sí se describieron como ocurridos en 4 fases ocupando poco tiempo como se muestra a continuación

Dependiendo a quien le preguntes, la citocinesis (los movimientos celulares de dividir realmente una célula en dos) no es parte de la mitosis. En ese sentido, podemos pensar en tres etapas en la vida de una célula: interfase, mitosis y citocinesis. ¡Por supuesto, resultó que la interfase no es un 'tiempo silencioso' celular en absoluto!

A. Definición de las Fases del Ciclo Celular

La correlación de la herencia de rasgos específicos con la de los cromosomas se demostró a principios del siglo XX, de manera más elegante en estudios genéticos de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. En ese momento, se suponía que los cromosomas contenían el material genético y que ambos estaban duplicados durante la mitosis. La primera pista de que esto no era así vino solo después del descubrimiento de que el ADN era de hecho el material químico de los genes. El experimento que distingue el tiempo de formación del cromosoma del tiempo de duplicación del ADN se resume a continuación.

1. Las células cultivadas se incubaron con ^3H-timina, la base radiactiva que las células incorporarán al trifosfato de timidina (dTTP), y luego en el ADN.
2. Las células cultivadas se incubaron con ^3H-timina, la base radiactiva que las células incorporarán al trifosfato de timidina (dTTP), y luego en el ADN.
3. Los portaobjetos se sumergieron en una emulsión sensible a la luz que contenía los mismos químicos sensibles a la luz que se encuentran en el lado de emulsión de la película.
4. Después de algún tiempo para permitir que la radiactividad en el portaobjetos para 'exponer' la emulsión, los portaobjetos se desarrollaron (de la misma manera que el revelado de película).
5. Las autorradiografías resultantes en el microscopio revelaron imágenes en forma de manchas oscuras creadas por la exposición a ADN caliente (es decir, radiactivo.

Si el ADN se replica en los cromosomas sometidos a mitosis, entonces cuando la película desarrollada se coloca de nuevo sobre el portaobjetos, cualquier mancha oscura debe estar sobre las células en la mitosis, y no sobre las células que no se están dividiendo activamente. El experimento se ilustra a continuación

La observación de las autorradiografías muestra que ninguna de las células en mitosis está marcada radioactivamente. ¡Pero algunas de las células en interfase fueron! Por lo tanto, la síntesis de ADN debe realizarse en algún momento en interfase, antes de la mitosis y citocinesis (ilustrado a continuación).

340 Experimentos que revelan replicación en la interfase del ciclo celular

A continuación se realizaron una serie de experimentos de pulso-persecución para determinar cuándo en el ciclo celular realmente se lleva a cabo la síntesis de ADN. Las células cultivadas dieron un pulso corto (exposición) a ^3H-timina y luego se dejaron crecer en medio no radiactivo por diferentes tiempos (la persecución). Al final de cada tiempo de persecución, las células se extendieron sobre un portaobjetos de vidrio y se volvieron a preparar para autorradiografía. El análisis de las autorradiografías identificó distintos períodos de actividad dentro de la interfase: Gap1 (G ₁), un tiempo de síntesis de ADN (S) y Gap 2 (G ₂). Aquí están los detalles de estos experimentos muy creativos, realizados antes de que fuera posible sincronizar las células en cultivo para que todas estuvieran creciendo y dividiéndose al mismo tiempo.

• Las células se expusieron a 3H-timina por solo 5 minutos (el pulso) y luego se centrifugaron. Posteriormente se descartó el sobrenadante radiactivo.
• Las células se enjuagaron y se centrifugaron de nuevo para eliminar la mayor cantidad posible de precursor marcado.
• Las células se resuspendieron en medio fresco que contenía timina no marcada (es decir, no radiactiva) y se incubaron posteriormente por diferentes tiempos (los periodos de persecución) .Después de sumergir los portaobjetos en emulsión sensible a la luz, exponer y revelar la película, se examinaron las autorradiografías, con los siguientes resultados:
  • Después de un periodo de persecución de 3 horas (o menos), las diapositivas se veían igual que lo harían inmediatamente después del pulso. Es decir, ninguna del 7% de las células que estaban en mitosis está marcada radioactivamente, pero muchas células de interfase mostraron núcleos marcados, como se muestra a continuación.
    
  • Después de 4 horas de persecución, se etiquetaron algunas del 7% de las células que estaban en mitosis, junto con otras en interfase (abajo).
    
  • Después de una persecución de 5 horas, la mayoría de las células en mitosis (todavía alrededor del 7% de las células en el portaobjetos) se marcaron; muchas menos células en interfase se marcaron (abajo).
    
  • Después de una persecución de 20 horas, no se marca ninguna del 7% de células que estaban en mitosis. En cambio, todas las células etiquetadas están en interfase (abajo).
    
• La siguiente gráfica representa un recuento de células mitóticas radiomarcadas contra los tiempos de persecución.

La gráfica define la duración de los eventos o fases del ciclo celular de la siguiente manera:

• La primera fase (intervalo #1 en la gráfica) debe ser el tiempo entre el final de la síntesis de ADN y el inicio de la mitosis, definido como Gap 2 (G ₂).
• Los tiempos de duplicación de las celdas se miden fácilmente. Supongamos que las células en este experimento se duplicaron cada 20 horas. Esto sería consistente con el intervalo de tiempo de 20 horas entre picos sucesivos en el número de células mitóticas radiomarcadas después del pulso (intervalo #2).
• Intervalo #3 es bastante fácil de definir. Es el momento en que se sintetiza el ADN, de principio a fin; esta es la síntesis, o fase S.
• Queda por definir un periodo del ciclo celular, ¡pero no está en la gráfica! Ese sería el tiempo entre la división celular final (es decir, mitosis y citocinesis) y el inicio de la síntesis del ADN (replicación). Ese intervalo se puede calcular a partir de la gráfica como el tiempo del ciclo celular (~20 horas) menos la suma de los otros periodos definidos del ciclo. Esta fase se define como la fase Gap 1 _{(G 1}) del ciclo.

Entonces, por fin, aquí está nuestro ciclo celular con un resumen de los eventos que ocurren en cada fase.

Durante toda la interfase (G ₁, S y G ₂), la célula crece en tamaño, preparándose para la siguiente división celular. El crecimiento en G ₁ incluye la síntesis de enzimas y otras proteínas que serán necesarias para la replicación.

El ADN se replica durante la fase S, junto con la síntesis de nuevas histonas y otras proteínas que serán necesarias para ensamblar nueva cromatina. G ₂ es el menor tiempo de interfase y se dedica en gran medida a preparar la célula para la siguiente ronda de mitosis y citocinesis. Entre las proteínas cuya síntesis aumenta en este tiempo se encuentran las tubulinas y proteínas responsables de condensar la cromatina en las cromátidas pareadas que representan los cromosomas duplicados. La cohesin es una proteína descubierta más recientemente elaborada en el período previo a la mitosis. Mantiene los centrómeros de cromátidas unidos hasta que estén listos para separarse.

341 Eventos en las Fases del Ciclo Celular

En una nota final, las células divisorias típicas tienen tiempos de generación que van de 16 a 24 horas. ¡Las células atípicas, como los huevos recién fertilizados, podrían dividirse cada hora más o menos! En estas celdas, los eventos que normalmente tardan muchas horas deben completarse en apenas fracciones de una hora.

B. Cuando las células dejan de dividirse

Las células diferenciadas terminalmente son aquellas que pasan el resto de sus vidas realizando una función específica. Estas células ya no ciclo. En cambio, poco después de entrar en G ₁ son desviados a una fase llamada G ₀, como se muestra a continuación.

Denominadas como terminalmente diferenciadas, estas células normalmente nunca se vuelven a dividir. Con algunas excepciones (por ejemplo, muchas neuronas), la mayoría de las células terminalmente diferenciadas tienen una vida útil finita y deben ser reemplazadas por células madre. Los ejemplos incluyen glóbulos rojos. Con una vida media de aproximadamente 60 días, son reemplazados regularmente por reticulocitos producidos en la médula ósea