Procesos Celulares Fundamentales: Unidad 3

Procesos Celulares Fundamentales

División Celular

• La división celular es el proceso por el cual el material celular se distribuye entre dos células hijas.
• En organismos unicelulares, la división celular aumenta la cantidad de individuos en la población.
• En organismos multicelulares, la división celular permite el crecimiento del organismo a partir de una sola célula y la reparación de tejidos lesionados o desgastados.

Fisión Binaria (en células procariotas)

• La mayoría de las bacterias se reproducen mediante fisión binaria.
• La célula simplemente crece al doble de su tamaño y luego se divide en dos.
• La investigación sobre la división celular bacteriana ayuda a comprender los mecanismos genéticos que la regulan y puede conducir al desarrollo de nuevos antibióticos.

Ciclo Celular

• El ciclo celular consta de fases: interfase (G1, S y G2) y mitosis.
• Durante la interfase, la célula crece, duplica su ADN y se prepara para la división.
• La mitosis es la fase de división celular propiamente dicha, donde el núcleo se divide en dos núcleos hijas idénticos.
• La citocinesis sigue a la mitosis y separa el citoplasma y los orgánulos en las células hijas.

Muerte Celular

• La apoptosis es un proceso programado de muerte celular que elimina células dañadas o innecesarias.
• La necrosis es la muerte celular no programada debido a daño severo.

Antecedentes Históricos del Conocimiento de la Estructura del Material Genético

• Friedrich Miescher (1869): Descubrió una sustancia en los núcleos de las células que llamó "nucleína" (hoy conocida como ADN).
• Frederick Griffith (1928): Demostró el fenómeno de la "transformación" y sugirió la existencia de un "principio transformador" (ADN).
• Avery, McLeod y McCarty (1944): Demostraron que el "principio transformador" identificado por Griffith era, de hecho, ADN.
• Alfred Hershey y Martha Chase (1952): Confirmaron que el ADN, y no las proteínas, era el material genético de los virus.
• Erwin Chargaff (1950): Descubrió dos reglas esenciales sobre la composición del ADN.
• Rosalind Franklin y Maurice Wilkins (1952): Realizaron estudios de difracción de rayos X del ADN.
• James Watson y Francis Crick (1953): Propusieron el modelo de doble hélice del ADN.

Componentes Fundamentales de los Ácidos Nucleicos

Nucleótidos

• Unidades básicas de los ácidos nucleicos.
• Cada nucleótido consta de tres componentes:
  • Base nitrogenada.
  • Azúcar pentosa.
  • Grupo fosfato.

Nucleósidos

• Similares a los nucleótidos, pero carecen del grupo fosfato.
• Un nucleósido consta de dos componentes:
  • Base nitrogenada.
  • Azúcar pentosa.

Bases Nitrogenadas

• Purinas: adenina (A) y guanina (G).
• Pirimidinas: citosina (C), timina (T) y uracilo (U).
• En el ADN, las bases se emparejan de manera específica: adenina (A) con timina (T) y guanina (G) con citosina (C).
• En el ARN, la adenina se empareja con uracilo (U) y la guanina con citosina (G).

Estructura de los Ácidos Nucleicos

Aspectos Generales

• Los ácidos nucleicos están formados por cadenas de nucleótidos.
• Cada nucleótido consta de una base nitrogenada, un azúcar pentosa y uno o más grupos fosfato.
• Los ácidos nucleicos tienen una dirección 5' a 3'.

Formas de Representación Lineal

• La secuencia de nucleótidos en los ácidos nucleicos se representa comúnmente de manera lineal, listando las bases nitrogenadas en el orden en que aparecen de 5' a 3'.

Propiedades Físico-Químicas

• Solubilidad: Los ácidos nucleicos son solubles en agua debido a los grupos fosfato ionizados.
• Estabilidad: El ADN es más estable que el ARN debido a la falta de un grupo hidroxilo en el carbono 2' de la desoxirribosa.
• Absorción UV: Los ácidos nucleicos absorben luz ultravioleta, con un pico máximo alrededor de 260 nm, debido a las bases nitrogenadas aromáticas.

Estructuras del ADN: B, A y Z

• Estructura B del ADN: Es la forma más común en condiciones fisiológicas.
• Estructura A del ADN: Es la forma que se adopta en condiciones de baja humedad.
• Estructura Z del ADN: Es la forma en condiciones de alta salinidad o secuencias específicas ricas en GC.

Estructura de los Nucleosomas

• Los nucleosomas son la unidad básica de la estructura de la cromatina en las células eucariotas.
• Están formados por un segmento de ADN enrollado alrededor de un núcleo de proteínas histonas.
• Ocho moléculas de histonas forman el octámero de histonas.
• Aproximadamente 147 pares de bases de ADN se enrollan alrededor del octámero de histonas en 1.65 vueltas.

Replicación del ADN

Concepto de Replicación del ADN

• La replicación del ADN es el proceso mediante el cual se copia el ADN antes de la división celular.
• Asegura que cada célula hija reciba una copia exacta del material genético.

Modelos de Replicación del ADN

• Modelo Conservativo: La molécula de ADN parental permanece intacta y se forma una nueva molécula de ADN hija completamente nueva.
• Modelo Semiconservativo: Cada molécula hija de ADN contiene una hebra original (parental) y una hebra nueva.
• Modelo Dispersivo: Las hebras parentales de ADN se fragmentan y se recombinan de manera que cada hebra hija contiene segmentos mezclados de ADN parental y nuevo.

Experimentos de Meselson-Stahl

• Demostraron que el modelo de replicación del ADN es semiconservativo.
• Utilizaron bacterias Escherichia coli y nitrógeno pesado (N15) para marcar el ADN, y luego observaron la replicación del ADN en presencia de nitrógeno ligero (N14).

Enzimología de la Replicación del ADN

Topoisomerasas

• Alivian el superenrollamiento del ADN durante la replicación.
• Topoisomerasa I: Corta una sola hebra del ADN y permite que la hebra rota gire alrededor de la otra hebra intacta para aliviar el superenrollamiento.
• Topoisomerasa II (Girasas en procariotas): Corta ambas hebras del ADN y permite que una parte de la molécula de ADN pase a través de la rotura.

Helicasas

• Desenrollan la doble hélice del ADN separando las dos hebras para permitir que las polimerasas accedan a las hebras molde.
• Utilizan energía de la hidrólisis de ATP para romper los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

ARN y ADN Polimerasas

• Sintetizan una corta secuencia de ARN (cebador o primer) que proporciona un extremo 3'-OH libre para que la ADN polimerasa inicie la síntesis de ADN.
• La ADN polimerasa sintetiza la hebra de ADN en dirección 5' a 3', mientras que la ARN polimerasa sintetiza la hebra de ARN en dirección 5' a 3'.### Replicación del ADN
• La replicación del ADN es un proceso altamente coordinado que involucra varias enzimas con funciones específicas.
• Se divide en etapas clave: inicio, elongación y terminación, con un apartado especial para la replicación de los telómeros.

Etapa de Inicio

• Involucra la activación de topoisomerasas, helicasas, proteínas de unión a cadena sencilla y primasa.
• Las topoisomerasas alivian la tensión torsional que se genera delante de la horquilla de replicación cortando y religando el ADN.
• Las helicasas desenrollan la doble hélice del ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

Etapa de Elongación

• La ADN polimerasa sintetiza nuevas cadenas de ADN en la dirección 5' a 3'.
• La cadena líder se sintetiza de manera continua en la dirección 5' a 3'.
• La cadena rezagada se sintetiza de manera discontinua en pequeños fragmentos llamados fragmentos de Okazaki, que luego se unen mediante la enzima ligasa.

Etapa de Terminación

• La replicación termina cuando las dos horquillas de replicación se encuentran o cuando la replicación ha alcanzado el final de la molécula de ADN.
• En procariotas, esto suele ocurrir en una región específica del ADN conocida como el terminador.
• En eucariotas, la replicación termina cuando las burbujas de replicación se fusionan.

Replicación de los Telómeros

• Los telómeros son secuencias repetitivas de ADN situadas en los extremos de los cromosomas.
• Durante la replicación, la enzima telomerasa añade secuencias de ADN a los extremos de los telómeros para compensar la pérdida de ADN que ocurre en cada ronda de replicación.

Mecanismos de Reparación del ADN

• La reparación del ADN es un proceso mediante el cual las células identifican y corrigen daños en las moléculas de ADN que codifican su genoma.
• Existen varios mecanismos de reparación del ADN, incluyendo:
  • Reparación por escisión de nucleótidos (NER): corrige daños en el ADN causados por agentes como la radiación ultravioleta.
  • Reparación de uniones deficientes (MMR): corrige errores de apareamiento de bases que ocurren durante la replicación del ADN.
  • Reparación de roturas de doble cadena (DSB Repair): corrige roturas en ambas cadenas de la doble hélice del ADN.

Diferencias y Semejanzas entre los Mecanismos de Replicación de Procariotas y Eucariotas

• Semejanzas:
  • Proceso básico similar: desenrollado del ADN, síntesis de cebadores, elongación de nuevas cadenas y terminación.
  • Enzimas clave comunes: helicasas, primasas, ADN polimerasas y ligasas.
• Diferencias:
  • Origen de replicación: procariotas tienen un solo origen de replicación en su cromosoma circular, mientras que eucariotas tienen múltiples orígenes de replicación en sus cromosomas lineales.
  • Velocidad de replicación: la replicación es más rápida en procariotas debido a la menor cantidad de ADN y la estructura más simple del cromosoma.
  • Enzimas de replicación: procariotas utilizan ADN polimerasa III para la elongación principal y ADN polimerasa I para la eliminación de cebadores de ARN y llenado de brechas, mientras que eucariotas utilizan ADN polimerasa α para la síntesis del cebador, ADN polimerasa δ para la elongación de la cadena rezagada y ADN polimerasa ε para la elongación de la cadena líder.

Ciclo Celular

• El ciclo celular es el conjunto de eventos que una célula atraviesa desde su formación hasta su división en dos células hijas.
• Se divide en varias fases específicas que regulan y aseguran la correcta duplicación y segregación del material genético.
• Las principales fases del ciclo celular son la interfase (que incluye las fases G1, S y G2), la fase M (mitosis) y la citoquinesis.

Regulación del Ciclo Celular

• La regulación del ciclo celular es esencial para asegurar que las células se dividan de manera ordenada y precisa.
• Está controlada por señales internas y externas, puntos de control específicos y una variedad de proteínas reguladoras.
• Los puntos de control del ciclo celular incluyen:
  • Punto de control G1/S (punto de restricción): verifica si el ambiente es favorable para la división celular y si el ADN está intacto y listo para ser replicado.
  • Punto de control G2/M: asegura que la replicación del ADN se haya completado correctamente y que no haya daño en el ADN antes de entrar en la mitosis.
  • Punto de control de la metafase (mitosis): verifica que todos los cromosomas estén alineados correctamente en la placa metafásica y que todos los cinetocoros estén unidos al huso mitótico antes de permitir que la célula proceda con la anafase.

Proteínas Involucradas en la Regulación del Ciclo Celular

• Proteincinasas (CDKs): enzimas que fosforilan proteínas específicas para regular el ciclo celular.
• Ciclinas: proteínas reguladoras que controlan la actividad de las CDKs.
• Cinasas dependientes de ciclinas (CDKs): enzimas que efectúan la fosforilación de proteínas clave que impulsan la célula a través de las diferentes fases del ciclo celular.### Formas de División Celular
• La fisión binaria es un proceso de división celular asexual en el que una célula madre se divide en dos células hijas genéticamente idénticas.
  • Características:
    • Replicación del ADN
    • Elongación celular
    • Formación del tabique
    • División celular
  • Organismos que la utilizan:
    • Bacterias
    • Arqueas
    • Algas unicelulares y protistas
  • Tipos de fisión binaria:
    • Fisión binaria simple
    • Fisión binaria transversal
    • Fisión binaria longitudinal
    • Fisión binaria oblicua
• La mitosis es un proceso de división celular en el que una célula madre diploide se divide para formar dos células hijas genéticamente idénticas.
  • Características:
    • Conservación del número de cromosomas
    • División nuclear y citoplasmática
  • Fases de la mitosis:
    • Profase
    • Prometafase
    • Metafase
    • Anafase
    • Telofase
    • Citoquinesis
• La meiosis es un proceso de división celular que reduce el número de cromosomas a la mitad, resultando en cuatro células hijas haploides.
  • Características:
    • Dos divisiones celulares (meiosis I y meiosis II)
    • Variabilidad genética
  • Fases de la meiosis:
    • Profase I
    • Metafase I
    • Anafase I
    • Telofase I
    • Citoquinesis
    • Profase II
    • Metafase II
    • Anafase II
    • Telofase II
    • Citoquinesis

Conceptos de Gen, Genoma, Transcriptoma y Proteoma

• El gen es una secuencia de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar un producto funcional.
  • Características:
    • Estructura: secuencias de exones e intrones
    • Función: codifica una proteína o ARN específico
    • Regulación: regiones promotoras y reguladoras
• El genoma es el conjunto completo de material genético (ADN) de un organismo.
  • Características:
    • Contenido: ADN nuclear, mitocondrial y cloroplastidial (en plantas)
    • Tamaño: varía considerablemente entre organismos
    • Funciones: contiene toda la información necesaria para el desarrollo, crecimiento y mantenimiento del organismo
• El transcriptoma es el conjunto completo de moléculas de ARN transcritas a partir del ADN de un organismo en un momento específico.
  • Características:
    • Contenido: ARNm, ARNt, ARNr y otros tipos de ARN no codificantes
    • Dinámico: varía según el tipo de célula, estado de desarrollo y condiciones ambientales
    • Estudio: análisis del transcriptoma mediante técnicas como la secuenciación de ARN
• El proteoma es el conjunto completo de proteínas expresadas por un genoma en un momento específico y bajo condiciones específicas.
  • Características:
    • Complejidad: más complejo que el transcriptoma debido a modificaciones postraduccionales y diversidad funcional de las proteínas
    • Funciones: incluyen proteínas estructurales, enzimas, proteínas de señalización, entre otras
    • Estudio: se estudia mediante proteómica, utilizando técnicas como la espectrometría de masas y electroforesis en gel bidimensional

Diferenciación Celular y Antecedentes Históricos

• La diferenciación celular es el proceso mediante el cual una célula madre no especializada se convierte en un tipo de célula especializada con funciones específicas.
  • Características:
    • Especialización: cambios morfológicos y funcionales específicos
    • Cambios genéticos: expresión de genes específicos
    • Irreversibilidad: en muchos casos, no puede revertir a un estado menos especializado
• Antecedentes históricos:
  • Siglo XVII y XVIII: observación de células con el microscopio
  • Siglo XIX: desarrollo de la teoría celular
  • Principios del siglo XX: descubrimientos sobre la totipotencia y diferenciación celular
  • Mitad del siglo XX: progreso en el entendimiento de las células madre
  • Finales del siglo XX y principios del siglo XXI: avances en células madre embrionarias e iPSCs

Bases Moleculares de la Transcripción

• La transcripción es el proceso mediante el cual se sintetiza ARN a partir de una plantilla de ADN.
• Estructura y función del ARN:
  • ARNm: cadena simple de nucleótidos con una caperuza en el extremo 5' y una cola de poli-A en el extremo 3'
  • ARNr: componentes principales de los ribosomas, formados por complejos de ARN y proteínas
  • ARNt: molécula en forma de trébol con un anticodón en un extremo y un aminoácido específico unido en el otro
• Mecanismos de la transcripción:
  • Iniciación: unión de la ARN polimerasa al promotor del gen
  • Elongación: síntesis de ARN complementario al ADN
  • Terminación: liberación del ARN recién sintetizado
• Etapas del proceso de la transcripción en eucariotas:
  • Capping: adición de una caperuza de 7-metilguanosina en el extremo 5' del ARNm
  • Poliadenilación: adición de una cola de adeninas en el extremo 3' del ARNm
  • Splicing: eliminación de intrones y unión de exones
• Enzimas y factores involucrados en la transcripción:
  • ARN polimerasa: cataliza la síntesis de ARN
  • Factores de transcripción: ayudan a la ARN polimerasa en la transcripción
  • Topoisomerasas: alivian la tensión del ADN superenrollado