MICROORGANISMOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MARIA EUGENIA DORADO

JAVIER MAURICIO RODRIGUEZ

GERARDO TORRES

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INSTRUCTORA  KATHERINE HUETIO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CENTRO AGROPECUARIO REGIONAL CAUCA

TEGNOLO CONTROL AMBIENTAL

SENA

2013-03-28

LA BIOTECNOLOGÍA: es un área multidisciplinaria, que emplea la biología, química y procesos, con gran uso en agricultura, farmacia, ciencia de los alimentos, ciencias forestales y medicina. Probablemente el primero que usó este término fue el ingeniero húngaro Karl Ereky, en 1919.

La biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos (Convention on Biological Diversity, Article 2. Use of Terms, United Nations. 1992).

¿Cuáles son las aplicaciones de la biotecnología?

Las aplicaciones de la biotecnología son numerosas y se suelen clasificar como:

* Biotecnología roja: se aplica a la utilización de biotecnología en procesos médicos. Algunos ejemplos son el diseño de organismos para producir antibióticos, el desarrollo de vacunas y nuevos fármacos, los diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la terapia génica.

* Biotecnología blanca: conocida como biotecnología industrial, es aquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es el diseño de microorganismos para producir un producto químico o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir contaminantes químicos peligrosos (por ejemplo utilizando oxidorreductasas). También se aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables, que consuman menos energía y generen menos deshechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales.

* Biotecnología verde: es la biotecnología aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo de ello es el diseño de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial. Un ejemplo de esto es la ingeniería genética en plantas para expresar plaguicidas, con lo que se elimina la necesidad de la aplicación externa de los mismos, como es el caso del maíz Bt. Si los productos de la biotecnología verde como éste son más respetuosos con el medio ambiente o no, es un tema de debate.

* Biotecnología azul: también llamada biotecnología marina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos. Aún en una fase temprana de desarrollo sus aplicaciones son prometedoras para la acuicultura, cuidados sanitarios, cosmética y productos alimentarios.

BIORREMEDIACIÓN
La biorremediación se define como el empleo de organismos vivos, tales como microorganismos y plantas, con la finalidad de reducir o eliminar, degradar y transformar contaminantes tanto en ecosistemas terrestres como acuáticos.
La biodepuración de agua y suelos contaminados ocurre de forma natural en los ecosistemas.
Básicamente, los procesos de biorremediación pueden clasificarse en tres tipos:

Remediación microbiana

Se refiere al uso de microorganismos directamente en el foco de la contaminación. Estos microorganismos pueden ya existir en ese sitio o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser inoculados en el sitio contaminado (proceso de inoculación). Cuando no es necesaria la inoculación de microorganismos, suelen administrarse más nutrientes con el fin de acelerar el proceso.
Hay bacterias y hongos que pueden degradar con relativa facilidad petróleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. También pueden degradar, aunque parcialmente, otros compuestos químicos como el PCB, arsénico, selenio, cromo. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados más fácilmente. Estas características también pueden lograrse por ingeniería genética.

Degradación enzimática

Consiste en el empleo de enzimas en el lugar contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Dichas enzimas son previamente producidas en bacterias transformadas genéticamente. Esta aplicación de la biotecnología lleva décadas en el mercado y hoy las compañías biotecnológicas ofrecen las enzimas y los microorganismos genéticamente modificados para tal fin.

FITORREMEDIACIÓN
La fitorremediación es el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados debido a la capacidad que tienen algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos.

Los sistemas blandos de depuración de agua son sistemas con un consumo energético relativamente bajo, sobre todo si se compara con los sistemas convencionales de depuración. Algunos de estos sistemas, como los pozos negros, zanjas filtrantes y los lechos filtrantes, están actualmente en desuso. Otros, como las fosas sépticas, tanques Imhoff, filtros percoladores , biodiscos y biocilindros, lechos de turba y filtros de arena, se utilizan fundamentalmente para núcleos rurales o como complemento de los convencionales sistemas de depuración.

BIOTRASFORMACION cambios bioquímicos en el órgano mediante  los cuales sustancias extrañas se convierten en otras más ionizadas más polares mas hidrosolubles y más fácilmente eliminables que la sustancia original.Biotransformaciones de XBs: activaciones e inactivaciones. Compuestos biodegradables y persistentes: bioacumulación y biomagnificación. Rutas para la biotransformaciones de XBs. Reacciones de fase I: oxidaciones, reducciones e hidrólisis.

 BIOTRANSFORMACIONES DE LOS COMPUESTOS XENOBIOTICOS

Un XB en el interior del organismo puede seguir muchas opciones, pero simplificando: Los organismos están expuestos a un gran número de diferentes sustancias químicas xenobióticas, que, una vez absorbidas por el organismo, se acumulan en él y pueden amenazar su equilibrio funcional. Si la concentración de cualquier xenobiótico en el organismo es excesiva, inevitablemente comportará un riesgo para las funciones de las biomoléculas que actúen en su entorno, pudiendo alterar el correcto funcionamiento de un órgano, tejido, sistema, etc. Al conjunto de reacciones metabólicas por medio de los cuales los tejidos modifican la estructura química de un XB se le denomina biotransformación. Podemos decir que la biotransformación de un XB consiste fundamentalmente en incrementar su polaridad, en convertir un compuesto no polar en uno soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para eliminar los tóxicos ambientales.

Al igual que la absorción y la distribución, dos procesos de transferencia, la Biotransformación también se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos. Se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos de estructura química similar.

 a) puede ser excretado sin que haya sufrido modificación alguna, con su estructura original.

b) puede sufrir reacciones de transformación metabólica, biotransformaciones. Estas se producen para compuestos biodegradables. El sistema metabólico de los organismos es el responsable de las biotransformaciones.

Alimentos transgénico

Un transgénico u Organismo Modificado Genéticamente (OMG) es un organismo vivo que ha sido creado artificialmente manipulando sus genes. La manipulación genética consiste en aislar segmentos del ADN (el material genético) de un ser vivo (virus, bacteria, vegetal, animal e incluso humano) para introducirlos en el de otro. Por ejemplo, el maíz transgénico que se cultiva en España lleva genes de bacterias, para producir una sustancia insecticida. Y la patata transgénica aprobada en marzo de 2010, lleva un gen que podría anular el efecto de ciertos antibióticos. La diferencia fundamental con las técnicas tradicionales de mejora vegetal es que la manipulación genética permite franquear las barreras entre especies para crear seres vivos que no existían en la naturaleza. Se trata de un experimento a gran escala en que se nos involucra a todos en contra de nuestra voluntad. Además, la manipulación genética está basada en modelo científico obsoleto y que está en entredicho. El sistema de evaluación de riesgos de la UE está repleto de trampas e irregularidades. Tras años de debate público, la mayoría de los ciudadanos españoles, al igual que los del resto de Europa, mantiene una actitud contraria a los transgénicos. Esta oposición ha llevado a muchas empresas a eliminar los ingredientes transgénicos de sus productos.

¿Por qué Greenpeace se opone a la liberación de transgénicos al medio ambiente?

El cultivo de transgénicos supone incremento del uso de tóxicos en la agricultura, contaminación genética, contaminación del suelo, pérdida de biodiversidad, desarrollo de resistencias en insectos y ‘malas hierbas’, riesgos sanitarios y efectos no deseados en otros organismos. Los efectos sobre el conjunto de los seres vivos son irreversibles e imprevisibles. Los riesgos sanitarios a largo plazo de los OMG presentes en nuestra alimentación o en la de los animales cuyos productos consumimos no se están evaluando correctamente y su alcance sigue siendo desconocido. Nuevas alergias, aparición de nuevos tóxicos, pérdida de eficacia de ciertos medicamentos o efectos inesperados son algunos de los riesgos.

Los OMG refuerzan el control de la alimentación mundial por parte de unas pocas empresas multinacionales. Son una de las armas predilectas de estos dictadores de la alimentación, y lejos de constituir un medio para luchar contra el hambre, aumentan los problemas alimentarios.

● No compres transgénicos

Para garantizar una cadena alimentaria libre de transgénicos y de sus derivados, debemos seguir rechazando su empleo por parte de la industria. Compra productos de la lista verde. ¡Contamos con el uso de tu libertad de elección a la hora de comprar!

Greenpeace recomienda consumir los productos del listado verde.

● Devuelve los productos transgénicos

Si compras sin darte cuenta un producto cuya etiqueta indica que contiene transgénicos, pide al comerciante que te lo cambie o que te devuelva el dinero. Pide a tus amigos que hagan lo mismo.

● Compra productos ecológicos

En la agricultura y la ganadería ecológicas no está permitido el uso de transgénicos ni sus derivados. Por lo tanto todos los productos que lleven un sello que certifique su producción ecológica no llevan transgénicos. Esta guía no se ocupa apenas de los productos ecológicos sino de los alimentos producidos de forma convencional, por ser estos sospechosos de contener transgénicos.

Los microorganismos

Un microorganismo, también llamado microbio u organismo microscópico, es un ser vivo sólo visible utilizando un microscopio.

Los microorganismos son en su mayoría unicelulares, aunque en algunos casos se trate de organismos cenóticos compuestos por células multinucleadas o incluso multicelulares. Pueden vivir aislados o agruparse formando colonias.

Son microorganismos, entre otros, las bacterias, los protozoos, algunas algas y hongos y los virus.

Los microorganismos consumen los nutrientes del medio con rapidez y originan muchos productos de desecho que son eliminados al exterior, alterando en poco tiempo el medio en el que viven. Pueden vivir en multitud de ambientes, hasta los más inhóspitos, y se reproducen muy rápidamente.

El ser humano ha encontrado utilidad a algunos microorganismos empleándolos en la industria alimentaria (como las levaduras y los hongos para las fermentaciones), en la farmacéutica (por ejemplo, en la elaboración de antibióticos como la penicilina), en la agricultura (el humus del suelo), en la ganadería y en múltiples otros usos.

Los microorganismos los podemos clasificar según su organización acelulares y celulares. En el primer se encontrarían  los virus, priones y viroides, mientras que en el segundo grupo nos encontraríamos con otros dos subgrupos: los procariotas, donde estarían las bacterias y los eucariotas donde estarían los protozoos, las algas microscópicas y los hongos microscópicos.

).

Definición de Célula

Es la unidad biológica, morfológica, fisiológica y genética de los seres vivos, La célula es una unidad morfológica que, sola o asociada, forma a los seres vivos. Sola forma los seres unicelulares (Bacterias, hongos, algas, protozoarios) y asociada forma los seres pluricelulares. La célula es una unidad fisiológica que realiza todas lasfunciones vitales. Cada célula se constituye como un verdadero organismo dotado de vida y de actividad propia. La célula es una unidad genética que transmite, mediante los cromosomas, los caracteres hereditarios de padres a hijos.

La célula es una unidad mínima de un organismo capaz de actuar de manera autónoma. Todos los organismos vivos están formados por células, y en general se acepta que ningún organismo es un ser vivo si no consta al menos de una célula, la denominación de vida más baja que se haya creído posible. La mayoría de los organismos consiste de una o más células que se especializan en funciones particulares para permitir que todo el organismo funcione apropiadamente. Las células contienen ADN y muchos otros elementos que permiten funcionar a la célula, Unidad fundamental de la materia viva. Está formada por la membrana citoplasmática, núcleo, nucléolo, retículo endoplásmico rugoso y liso, peroxisoma, mitocondrias, lisosomas, aparato de golgi, lisosomas, ribosomas y vacuolas. Se reproduce por germinación, esporulación y bipartición (mitosis).

Descubrimiento de la Célula: Robert Hooke

Fue uno de los primeros secretarios de la Real Sociedad de Londres, probablemente el primer microscopista que observó las células y definitivamente el primero en darles ese nombre (en una demostración a la Real Sociedad del aspecto de los poros del corcho, cortados en forma tanto transversal como perpendicular, fechada el 13 de abril de 1663, mientras que la primera descripción de Leeuwenhock de sus "animalitos muy pequeños", observados en agua fresca, data de 1647). Como encargado (curator) de experimentos en la Real Sociedad, Hooke siempre tenía su tiempo más que repleto con las ocupaciones más extrañas y diversas. pero se las arregló para incluir entre ellas las observaciones microscópicas, que sirvieron para introducir el uso de este instrumento de investigación en Inglaterra. Su libroMicrographia, publicado en 1665, tuvo un éxito razonable cuando apareció; el 20 de enero de ese año Samuel Pepys visitó a sus libreros, y dijo: "... me llevé a casa el libro de microscopía de Hooke, un volumen excelente, del que estoy muy orgulloso." A pesar de esto Hooke solo observo células muertas. Tiempo después un sastre irlandés llamado Anthony Van Leewanhoek también fabrico un microscopio rudimentario y observo organismos vivos en esta oportunidad bacterias y protozoo reafirmando lo que había decubierto hooke, otros científicos (Matthias Schleider y Theodor Schwann, Rudolph Virchok) desarrollaron lo que hoy se conoce como Teoría Celular y que sustenta todo lo que se co

ropiedades de las Células

·         Son estructuras muy complejas y organizadas que requieren gasto de energía para su mantenimiento.

·         Las células poseen un programa genético.

·         Las células se dividen generando más células.

·         Adquieren y usan energía por reacciones enzimáticas por el metabolismo celular.

·         Las células llevan a cabo gran cantidad de reacciones químicas (metabolismo).

·         Las células desempeñan actividades mecánicas (proteínas motoras).

·         Las células se auto regulan.

Clasificación de las Células

Criterio	Características
Según su Estructura	Eucariótica ·         Son más complejas que las procariotas. ·         Surgieron de las células procariontes. ·         Tienen mayor tamaño y su organización es más compleja, con presencia de orgánulos, lo que permite la especialización de funciones. ·         El ADN está contenido en un núcleo permeable con doble membrana atravesado por poros.	Procariota ·         Son estructuralmente compuestas. Conformaron a los primeros organismos del tipo pluricelular. ·         Éstos tenían un ADN abierto circular, el cual se encontraba disperso en el citoplasma ausente de núcleo. ·         La célula no tenía orgánulos –a excepción de ribosomas- ni estructuras especializadas
Según su Forma	Cilíndricas Algunas de las células bacterianas más pequeñas tienen forma cilíndrica de menos de una micra o &µm (1 &µm es igual a una millonésima de metro) de longitud.	Elipsoidal Son algunos hongos como los conidióforos
	Ovalada Holophrya sp.: Ciliado que presenta una forma ovada, casi esférica. Película celular con campos hexagonales, de cada campo sale un cilio. Este género es bacterívoro.	Esférica Globosa Coelastrum sp.: microalga colonial, formada por colonias de 8 a 128 células, puede ser globosa, hueca o esférica. Las células se encuentran unidas por finas superficies gelatinosas

Criterio	Características
Según su Forma	Reniforme Los macrófagos típicamente son células de tamaño mediano a grande, de citoplasma relativamente abundante, levemente eosinófilo, de bordes difuminados, de núcleo circular, ovalado o reniforme, de escaso contenido en cromatina y membrana nuclear neta	Fusiforme Un tipo de neurona encontrado en la corteza, caracterizado por diferentes formas, que recuerdan la forma del huso.
	Piriforme Células de Purkinje Células nerviosas de cuerpo grueso periforme con prolongaciones citoplasmáticas dirigidas hacia la periferia y el cilindroeje. Se localizan entre los estratos molecular y granuloso del cerebro	Estrellada Un tipo de neurona de menor tamaño encontrado en las capas superiores, esto es, en la corteza del cerebro y del cerebelo. Su nombre deriva de su geometría bastante esférica, con ramificaciones radiando desde la cercanía del cuerpo celular. Es sinónimo de célula granular pequeña.
Según su Tamaño	Macroscópicas Son células grandes que se ven a simple vista, como la yema del huevo de la gallina que mide hasta 30mm y la del avestruz hasta , etc.	Microscópicas Son células que se observan con la ayuda de microscopio, como por ejemplo: Las células de cuerpo miden entre 5ª micras.
Según su reproducción	Sexual ·         Dos células especiales llamadas gametos con la mitad de cromosomas de una célula normal- se fusionan y originan un nuevo individuo unicelular -el cigoto. ·         Se da en los organismos pluricelulares más complejos.	Asexual Es de un individuo unicelular consistirá en una simple mitosis seguida de citocinesis

Criterio	Características
Según su origen	Célula animal -Las células animales son de membranas flexibles y desnudas. - Las células animales son móviles. -Las células animales no tienen clorofila. -Las células animales están imposibilitadas de utilizar la energía solar directamente. -Las células animales son heterótrofas. -Las células animales son consumidoras. -Las células animales el crecimiento es limitado. -Las células animales tienen sólo membrana plasmática. -Las células animales el citoplasma es casi sin vacuolas. -Las células animales sólo hay condriosomas. - Las células animales si poseen centrosoma. -Posee Núcleo.	Célula Vegetal -Las células vegetales son membranas rígidas. -Las células vegetales son inmóviles. -Las células vegetales tienen clorofila. -Mientras que las células vegetales utilizan directamente la energía solar. -Las células vegetales son autótrofas. -Las células vegetales son productoras. -Las células vegetales tienen un crecimiento ilimitado. -Las células vegetales poseen membrana de secreción celulósica y membrana plasmática. -En las células vegetales se da el citoplasma con vacuolas grandes y numerosas. -Las células vegetales tienen condriosomas y plastos. -Las células vegetales no tienen centrosomas en la mayoría de los casos. -Posee núcleo

Partes de Una Célula

La célula se compones de partes diminutas denominados orgánulos. A continuación presentamos un dibujo esquemático de una célula animal:

Nº	Nombre Orgánulo	Función	Ubicación
01	Nucléolo	El nucléolo es una estructura discreta que se tiñe densamente y se encuentra en el núcleo. No está rodeado por una membrana, por lo que en ocasiones se dice que es un suborgánulo. Se forma alrededor de repeticiones en tándem de ADNr, que es el ADN que codifica el ARN ribosómico (ARNr)	Está en el centro de la célula, sin embargo en algunas células se desplaza y en otras esa fijo.
02	Nucleo	Es un orgánulo membranoso que se encuentra en las células eucariotas. Contiene la mayor parte del material genético celular, organizado en múltiples moléculas lineales de ADN de gran longitud formando complejos con una gran variedad de proteínas como las histonas para formar los cromosomas	Su ubicación tiende a estar localizada en el centro de la célula. Sin embargo, es capaz de desplazarse en el caso de algunas células, mientras que en el caso de otras se encuentra fijo
03	Ribosomas	Se encargan de la síntesis de proteínas	Siempre están muy cercanas al retículo endoplásmico
04	Vesículas de Secreción	Estas vesículas ligadas a la membrana contienen proteínas solubles que son secretadas al ambiente extracelular, así como proteínas y lípidos de la membrana que son enviados para convertirse en componentes de la membrana celular.	Se encuentra ubicadas cerca de la cara proximal o formadora de los Dictiosomas del complejo de golgi, a medida que se diferencian y maduran las vesículas de secreción se transforman en Lisosomas (animales) o en vacuolas (vegetales).
05	Retículo endoplasmatico Rugoso	Es un orgánulo propio de la célula eucariota que participa en la síntesis ytransporte de proteínas en general.	Se ubica cerca del nucleo y está muy ligado al aparato de golgi
06	Aparato de Golgi	·         Producir enzimas secretoras ·         Transportar y almacenar lípidos ·         Formar lisosomas primarios	Está cerca del centrosoma aunque se origina a partir del retículo endoplásmico por medio de vesículas que posteriormente se unen

Nº	Nombre Orgánulo	Función	Ubicación
07	Citoesqueleto	·         La función principal es mantener la forma de la célula, proporcionándole capacidad de movimiento y permitir que tenga un entramado por el que los orgánulos puedan desplazarse.	Se extienden por todo el citoplasma.
08	Retículo endoplasmatico Liso	·         Síntesis de lípidos de membrana como lípidos y colesterol	Está comunicado con el retículo endoplásmico rugoso pero no presenta ribosomas en su exterior
09	Mitocondria	Controla la entrada y salida de sustancias dentro y fuera de la célula	Están suspendidas en el citoplasma.
10	Vacuolas	Sirven para almacenar sustancias de desecho o de reserva (agua con varios azúcares, sales, proteínas y otros nutrientes disueltos en ella).	Se encuentran en el citoplasma de las celulas vegetales
11	Citoplasma	·         Nutritiva. Al citoplasma se incorporan una serie de sustancias, que van a ser transformadas o desintegradas para liberar energía. ·         De almacenamiento. En el citoplasma se almacenan ciertas sustancias de reserva. ·         Estructural. El citoplasma es el soporte que da forma a la célula y es la base de sus movimientos.	Entre la membrana celular y el núcleo
12	Lisosoma	Ser el centro de digestión de la célula	Se piensa que están emparentados con el retículo endoplasmático y con el complejo de Golgi.
13	Centriolos	Participan directamente en el proceso de división o reproducción celular, llamado mitosis	En las células que no están en división, los pares de centriolos se encuentran generalmente cerca del núcleo y en asociación con el complejo de Golgi.
14	Membrana Celular	Mantener el medio intracelular diferenciando del entorno		Constituye el límite entre el citoplasma y el medio en el que se encuentra la célula

CICLO CELULAR Y DUPLICACIÓN DEL ADN

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Silvia Márquez- Sergio Daniel Ifrán- Enrique Zabala

Ciclo celular

Las células de los distintos organismos pasan durante su vida por distintos períodos, cada uno de ellos característico y claramente diferenciado.

Cada tipo celular cumple con sus funciones específicas durante la mayor parte de su vida, creciendo gracias a la asimilación de materiales provenientes de su ambiente y con ellos sintetiza nuevas moléculas por medio de complejos procesos regulados por su material genético.

Cuando una célula aumenta hasta llegar a un determinado tamaño, su eficiencia metabólica se torna crítica, entonces se divide. En los organismos pluricelulares, se produce un crecimiento a partir de una célula (huevo o cigoto) como así también se aumenta la masa tisular y se reparan los tejidos lesionados o desgastados, por aumento del número de células.

Las nuevas células originadas en esta división poseen una estructura y función similares a las células progenitoras, o bien derivadas de ellas.

Fig. 12.1 - Ciclo de División Celular

En parte son similares porque cada célula nueva, recibe aproximadamente la mitad de organoides y citoplasma de la célula madre, pero en términos de capacidades estructurales y funcionales lo importante es que cada célula hija, reciba una réplica exacta del material genético de la célula madre.

Durante la vida celular, las células pasan por un ciclo regular de crecimiento y división. A esta secuencia de fases se la denomina ciclo celular y en general consta de un período donde ocurre un importante crecimiento y aumento de la cantidad de organoides (interfase) y un período de división celular (mitosis o meiosis).

La interfase involucra períodos donde la célula realiza los procesos vitales propios de su función. Durante ella, se producen también fenómenos a nivel nuclear imprescindibles para la división posterior. Cronológicamente podemos dividir la interfase en tres etapas G₁, S y G₂.

Haciendo un esquema del ciclo celular, el tiempo en que transcurre cada una de las etapas se representa en la Fig. 12.2.

Es necesario señalar que existen excepciones a este ciclo, ya que no en todas las células los períodos tienen la misma duración. Incluso si consideramos una población celular homogénea (células del mismo tipo), existen variaciones particulares. Siempre que se habla de tiempos determinados, se hace considerando los promedios de cada tipo celular.

También existen células que dejan de dividirse por largos períodos o bien permanentemente. Por ejemplo, las neuronas permanecen luego de la maduración del tejido nervioso en una etapa especial denominada G₀, donde las células entrarían como alternativa a G₁. En la actualidad es frecuente referirse a este tipo de células como "no cíclicas" o detenidas en G₁, ya que no es seguro que las células que no se dividen pasen por un solo estadío.

Fig. 12.2 - Fases del Ciclo Celular

ETAPAS Y CARACTERÍSTICAS

Como ya se mencionó, una célula tipo pasa a lo largo de su vida por etapas (G₁, S y G₂) antes de dividirse. Las características más relevantes de cada una de las mismas son:

Etapa G₁: Esta etapa que sucede a la división celular es la más variable en duración. Las células hijas recientemente originadas presentan una gran actividad metabólica produciéndose un aumento acelerado del tamaño celular. Los organoides de la célula precursora han sido repartidos de manera más o menos equitativa entre las células hijas, deben entonces aumentar de tamaño y también en número para mantener las características de su tipo celular. Se sintetizan así ribosomas y microtúbulos a partir de las proteínas y otras moléculas que la conforman. Los organoides del sistema de endomembranas, aumentan considerablemente de tamaño, ya que ambas células hijas han recibido parte de estos organoides. Sin embargo, pueden ser sintetizados de nuevo en caso de no existir precursores. Esto no ocurre con mitocondrias y cloroplastos que se originan por división de estas estructuras preexistentes. Como se recordará ambos organoides contienen ADN y ribosomas que les permite dividirse de forma relativamente independiente del núcleo celular.

Todos los procesos de síntesis de nuevos organoides o aumento de tamaño de los existentes, son regulados mediante activación de complejos enzimáticos en un momento determinado.

En este período se observa, a su vez, una gran síntesis de ARN como así también ARN y ARN. Estos ácidos serán utilizados para la síntesis de proteínas estructurales, para la construcción y o aumento de los organdíes, como así también la producción de enzimas necesarias para dicha síntesis. Cabe destacar que durante este período también se sintetizan las enzimas que serán utilizadas en la etapa siguiente, es decir en la duplicación del ADN, como así también moléculas precursoras de los ácidos nucleicos.

Cuando las células dejan de crecer (si se agotan los nutrientes o por inhibición por contacto) lo hacen en G1. Esto implica que también se sintetizan las sustancias que estimulan o inhiben distintas fases del ciclo celular.

Etapa S: el período S o de síntesis de ADN tiene como característica fundamental la síntesis de nuevo material genético, para que las células hijas tengan la misma dotación. Sin embargo persisten los altos índices de síntesis de ARN para obtener enzimas requeridas en la síntesis de histonas que formarán parte de la macroestructura del ADN y tubulinas relacionadas con el proceso de división celular.

Etapa G₂: En esta fase, ya con el ADN duplicado, la célula ensambla las estructuras necesarias para la separación de las células hijas durante la división celular y la citocinesis (separación del citoplasma).

Etapa M: Durante M, la envoltura nuclear se desintegra, la cromatina se condensa en forma creciente hasta ser visible los cromosomas al microscopio óptico. Estos cromosomas formados cada uno por dos cromátidas (cromosomas duplicados) pasaran por cada una de las fases de la división celular (mitosis o meiosis) para concluir con la formación de las células hijas, cada una con una única copia de su ADN (cromosomas sin replicar) , que marcan el inicio de un nuevo ciclo.

SISTEMA DE CONTROL DEL CICLO CELULAR

El sistema de control del ciclo celular es un dispositivo bioquímico compuesto por un conjunto deproteínas reguladoras interactivas: las ciclinas y las quinasas dependientes de ciclinas que inducen y coordinan los procesos básicos del ciclo, como la duplicación de ADN y la división celular, a los que denominamos procesos subordinados.

Durante un ciclo típico, el sistema de control está regulado por factores de retraso que pueden frenar el ciclo en puntos determinados denominados puntos de control. En estos puntos, las señales de retroalimentación que contienen información sobre los procesos subordinados pueden detener momentáneamente el avance del ciclo, evitando el inicio del proceso siguiente antes que el precedente haya terminado. Sobre dichos factores también actúan señales del entorno como puede ser una hormona o un factor de crecimiento.

Una analogía que puede ayudarnos a comprender este mecanismo es comparar al sistema de control del ciclo celular con el funcionamiento de una lavadora automática (1. Alberts y col -pág929-930), el programador de la lavadora sólo avanza a través de los diferentes pasos del ciclo de lavado (etapas del ciclo celular), si recibe determinadas señales. Adentro de la lavadora hay sensores que miden el nivel de agua o jabón que ingresan. Estos sensores envían señales que pueden provocar el retraso o la interrupción del ciclo de lavado. De igual manera en la célula, las señales generadas en los procesos subordinados (por ej. la síntesis de ADN) o por el entorno, detienen el ciclo.

A continuación pasaremos a describir las proteínas reguladoras, el mecanismo de regulación y los puntos de control del ciclo celular.

PROTEÍNAS REGULADORAS DEL CICLO CELULAR

El pasaje de una célula a través del ciclo es controlado por proteínas citoplasmáticas. Los principales reguladores del ciclo en células animales son:

1.                     Las ciclinas, proteínas que controlan la actividad de sus proteinquinasas dependientes. La concentración de cíclicas varía en forma cíclica, aumentando o disminuyendo durante el transcurso del ciclo celular. Esto se debe a variaciones en la velocidad de degradación de la cíclica, dado que la velocidad de síntesis es casi constante durante todo el ciclo. En los mamíferos existen 6 diclinas como mínimo, denominadas A, B, C, D, E y F (Fig. 12.4b), pero nosotros las clasificaremos como cíclicas de G1 y diclinas mitóticas. Las ciclinas G1 se unen a sus quinasas dependientes de ciclinas (Cdk2) durante G1 siendo necesarias para superar el punto de control G1 y pasar a la fase S. Las ciclinas mitóticas se fijan a la quinasa Cdk1 durante G2, siendo necesaria su presencia para que el ciclo supere el punto de control G2 y se inicie la mitosis. (Fig. 12.3 )

2.                    Las quinasas dependientes de ciclinas (CDK), enzimas que mediante la fosforilación de determinadas proteínas desencadenan los procesos subordinados del ciclo celular. En los mamíferos se conocen 5 CDK las cuales forman tres grupos principales:

Fig. 12.3 - Complejo ciclina-quinasa dependiente de cíclica activo (ciclina-CDK)

                       CDK de G1 (Cdk2)

                       CDK de fase S (Cdk2)

                       CDK de fase M (Cdk1)

A diferencia de la concentración de diclinas, la concentración de CDK se mantiene durante todo el ciclo celular, por permanecer constantes tanto la velocidad de síntesis como la de degradación (Fig. 12.4 y 12.5)

Las CDK se activan sólo cuando se unen a las diclinas para formar complejos, por lo que requieren un nivel umbral para desencadenar la transición a la fase siguiente del ciclo celular.

3.                    El Complejo Promotor de la Anafase (APC) y otras enzimas proteolíticas. El APC desencadena los eventos que conducen a la destrucción de las cohesinas [1] permitiendo a las cromátidas hermanas separarse e iniciando la degradación de las ciclinas mitóticas.

Fig. 12.4 -Generalización del sistema de control del ciclo celular en eucariotas

Fig. 12. 5 - Ciclinas y CDK en un ciclo celular de vertebrados

MECANISMO DE REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR

Al finalizar la mitosis aumenta la expresión de la ciclina G1 (E), esta ciclina se unirá a la su quinasa (Cdk2) formando un complejo activo conocido como factor promotor de Fase S (FPS ). Este FPS sólo puede actuar sobre cromosomas en estado Pre-Replicativo. Así se denominan por poseer sobre cada origen de replicación un complejo multiproteico llamado Pre-Replicativo.

Los orígenes de replicación (ORI) se presentan en número de 20 a 80 sobre cada lazo de cromatina y se caracterizan por poseer una secuencia común denominada secuencia de replicación autónoma(ARS) formada por dos secuencias "GAGGC" sobre las que se halla unido a lo largo de todo el ciclo celular, el complejo de reconocimiento del origen de replicación (ORC), uno de los complejos proteícos que forma parte del complejo Pre-Replicativo (PreR). El segundo componente del complejo PreR es la proteína Cdc6p (cell division cycle protein), que se sintetiza en G1 e inserta sobre los orígenes de replicación al último componente, las proteínas de mantenimiento de los minimicrosomas (MCM). (Fig. 12.6)

El nivel creciente de FPS al inicio de la fase S induce la apertura de los orígenes de replicación, activando a las moléculas responsables de la síntesis de ADN e induciendo la separación del complejo Pre-R del componente Cdc6p y MCM. Separados estos componentes, se inicia la síntesis, y por lo tanto el FPS no se requiere más, siendo su componente lábil, la ciclina de G1, degradada en los proteosomas.

Los cromosomas a partir de este momento se denominarán cromosomas Post-Replicativos (sólo presentan asociado a los orígenes de replicación el ORC). Los cromosomas se mantendrán en estado Post-R hasta el inicio de la anafase.

Degradadas las ciclinas G1, el nivel de ciclinas mitóticas aumenta.

Un nuevo participante entra al ciclo, el complejo promotor de la mitosis, FPM, formado por las ciclinas mitóticas más las quinasas dependientes de ciclinas de M (Cdk1). Éste inicia el ensamblado del huso mitótico, la desintegración de la envoltura nuclear y la condensación de los cromosomas, al inducir la fosforilación de diferentes sustratos como las láminas nucleares, conduciendo a la célula a la metafase.

A esta altura del ciclo, el FPM activa el complejo promotor de la Anafase, APC, que permite la separación de las cromátides hermanas y su migración a los polos (anafase). Así se completa la mitosis, se destruyen las ciclinas de fase M y se activan las ciclinas de G1 para el próximo ciclo celular.

Fig. 12.6 - Modelo simplificado propuesto para la replicación de cromosomas eucariotas

CONTROL DE CALIDAD DEL CICLO CELULAR (Fig. 12.7)

Durante el ciclo celular, la célula pasa al menos tres puntos de control (checkpoints):

                       Punto de control G1, en este punto el sistema de control de la célula pondrá en marcha el proceso que inicia la fase S. El sistema evaluará la integridad del ADN (que no este dañado), la presencia de nutrientes en el entorno y el tamaño celular. Aquí es donde generalmente actúan las señales que detienen el ciclo (arresto celular) .

                       Punto de control G2, en él se pone en marcha el proceso que inicia la fase M. En este punto, el sistema de control verificará que la duplicación del ADN se halla completado (que no este dañado), si es favorable el entorno y si la célula es lo suficientemente grande para dividirse.

                       Punto de control de la Metafase o del Huso, verifica si los cromosomas están alineados apropiadamente en el plano metafásico antes de entrar en anafase. Este punto protege contra pérdidas o ganancias de cromosomas, siendo controlado por la activación del APC.

Fig. 12.7 - Puntos de Control e Ingreso de la información Reguladora al Sistema de Control del Ciclo Celular

Proteína p53, el guardián del genoma

Como hemos mencionado en los párrafos precedentes, tanto en el punto de control G1 como G2 se verifica la integridad del ADN. Ante la presencia de ADN dañado se genera una señal que retrasa la entrada en fase M. El mecanismo depende de una proteína llamada p53, que se acumula en la célula en respuesta a las alteraciones de ADN, deteniendo el sistema de control en G1 y por lo tanto impidiendo la posterior entrada en mitosis. El gen p53 es uno de los genes supresores de tumores más conocidos, que no sólo detiene el ciclo (arresto celular), sino también participa en la apoptosis (muerte celular programada) forzando a las células al suicidio cuando el daño en el ADN es irreparable.

Las células que presentan los dos alelos del gen p53 mutados, tendrán proteína p53 no activa y por lo tanto continuarán dividiéndose a pesar del daño en su genoma, por lo tanto desarrollarán cáncer. Las mutaciones del gen p53 presenta una alta incidencia en la mayoría de los cánceres humanos.

¿Cómo actúa la p53?

Cuando el ADN presenta un daño "limitado", aumentan los niveles de proteína p53. Dicha proteína activa la transcripción del gen p21, que codifica a la proteína p21. Esta última proteína ejerce su efecto inhibidor uniéndose al complejo ciclina-Cdk2 y deteniendo el ciclo. Cuando el ADN es reparado, la proteína p53 se libera del promotor del gen p21, provocando el descenso en los niveles de p21. Esto permite restaurar la actividad del complejo ciclina-Cdk2.

  

Fig. 12.8 - Acción de la Proteína p53 en el Control del Ciclo Celular

ONCOGENES Y CÁNCER

Los genes supresores de tumores, codifican para productos celulares que inhiben la proliferación celular. Para impedir el efecto protector que ejercen sobre el genoma, se requiere la mutación de sus dos alelos.

Los genes conocidos como protooncogenes codifican proteínas que estimulan la división celular, por ejemplo, factores del crecimiento o receptores de factores del crecimiento.

La mutación de uno de los dos alelos que codifican para un protooncogen, lo transforma en un oncogencapaz de originar productos celulares que estimulan la división celular de forma incontrolada conduciendo al cáncer, con alteración de los mecanismos de control del ciclo celular.

En la siguiente tabla se mencionan a titulo informativo los oncogenes y genes supresores de tumores mejor conocidos por su expresión durante el ciclo celular.

Tabla 12.1 - ALGUNOS GENES RELACIONADOS CON CÁNCERES EN HUMANOS
ONCOGENES	Genes para factores de crecimiento o sus receptores
	PDGF	Codifica el Factor de crecimiento derivado de las plaquetas. Responsable de glioma (un cáncer del cerebro)
	erb-B	Codifica al Factor de crecimiento epidérmico. Relacionado con gliobastoma (cáncer del cerebro) y cáncer de mama.
	erb-B2	Codifica receptor de factor de crecimiento. Relacionado con cáncer de mama, glándulas salivales y ovario.
	RET	Codifica receptor de Factor del crecimiento. Relacionado con cáncer de tiroides.
ONCOGENES	Genes para transductores citoplasmáticos en vías estimuladoras
	Ki-ras	Responsable de cáncer de pulmón, ovario, colon y páncreas.
	N-ras	Relacionado con leucemias.
	Genes para factores de transcripción que activan genes promotores del crecimiento
	c-myc	Relacionado con leucemias y cánceres de estómago, pulmón y mamas
	N-myc	Relacionado con neuroblastoma (cáncer de células nerviosas) y glioblastoma
	L-myc	Relacionado con cáncer de pulmón.
	Genes para otros tipos de moléculas
	Bcl-2	Codifica para una proteína que normalmente bloquea la apoptosis. Relacionado con linfoma de células foliculares B.
	Bcl-1	También llamado PRADI. Codifica la ciclina D1, un ciclina reguladora del ciclo celular. Relacionada con cáncer de mama, cabeza y cuello.
	MDM2	Codifica un antagonista de la proteína p53. Participa en sarcomas y otros cánceres.
GENES SUPRESORES DE TUMORES	Genes de proteínas citoplasmáticas
	APC	Relacionada con cáncer de colón y estómago.
	DPC4	Codifica para una molécula transductora en una vía que inhibe la división celular. Relacionada con cáncer pancreático.
	NF-1	Codifica para una proteína que inhibe a la proteína Ras. Relacionada con neurofibroma y feocromocitoma (cáncer del sistema nervioso periférico) y leucemia mieloide.
	NF-2	Relacionado con meningioma y ependinoma (encéfalo) y schwanoma (nervios periféricos)
	Genes de proteínas nucleares
	MTS1	Codifica para la proteína p16, uno de los frenos del sistema de control del ciclo celular. Relacionada con muchos cánceres.
	RB	Codifica para la proteína RB (retinoblastoma). Esta proteína es uno de los principales frenos en el ciclo celular.
	p53	Codifica para la proteína p53, la cual detiene la división celular e induce a las células anormales al suicidio (apoptosis). Relacionado con la mayoría de los cánceres .
	WT1	Relacionado con el Tumor de Wilms del riñón.
	Genes que codifican proteínas de ubicación aún no determinada
	BRCA1	Relacionado en cánceres de mama y ovario.
	BRCA2	Relacionado con cáncer de mama.
	VHL	Relacionado con cáncer de células renales.

DUPLICACIÓN DEL ADN

CARACTERÍSTICAS DE LA DUPLICACIÓN DEL ADN

Aunque los principios generales de la duplicación o replicación del ADN son sencillos y pueden considerarse como consecuencia directa de su estructura, el proceso requiere una maquinaria compleja que contiene una gran cantidad de enzimas y proteínas que actúan en conjunto.

Fig. 12.9 - La duplicación del ADN se produce previo desenrollamiento de las dos cadenas de la doble hélice, usando cada una como molde para sintetizar las nuevas cadenas.

1.        MÚLTIPLES PUNTOS DE ORIGEN

Los cromosomas eucariontes tienen una gran cantidad de ADN, el cual se halla contenido en dos moléculas lineales, una para cada cromátide. Si estas moléculas se replicasen a partir de un sitio único de origen, la etapa “S” de la Interfase sería extremadamente larga. Las células eucariontes resuelven este problema disponiendo de múltiples sitios de origen de la replicación en cada cromosoma. En ellos, el ADN presenta secuencias especiales de nucleótidos. Además todos los orígenes tienen en común secuencias conservadas de aproximadamente doce pares de nucleótidos, llamados ARS (autonomus replication secuence).

Fig. 12.10 - La replicación siempre comienza en los sitios de origen en cada cromosoma. En ellos el ADN presenta secuencias especiales de nucleótidos

2.       DESENROLLAMIENTO DE LAS CADENAS DE ADN

En cada cromosoma, las dos cadenas del ADN se encuentran arrolladas una a la otra como los hilos de una soga. Si tratamos de separarlas, la soga debe apretarse más en las vueltas restantes o girar. Algo similar ocurre en el ADN, cuando las cadenas complementarias se separan para iniciar la duplicación. En ese momento aumenta la tensión torsional en el sector no duplicado de la doble hélice.

Fig. 12. 11 - Separación progresiva de las dos cadenas de ADN a nivel de la horquilla de replicación y su posible consecuencia biológica.

El desenrollamiento es realizado por las enzimas ADN-helicasas, las cuales recorren la hélice desenrollando las hebras del ADN a medida que avanzan. Una vez separadas, las cadenas se combinan con las proteínas SSB, llamadas también proteínas desestabilizadoras, que evitan el autoapareamiento entre las bases complementarias libremente expuestas.

Fig. 12.12 - Cadenas adelantada y retrasada del ADN durante la replicación. La helicasa separa a las dos cadenas del ADN y las proteínas SSB evitan autoapareamientos entre las bases complementarias libremente expuestas en la cadena atrasada.

A medida que la enzima helicasa abre la doble hélice, dos enzimas complementarias: la topoisomerasa I y la topoisomerasa II o girasa, van disminuyendo la tensión torsional acumulada por el superenrollamiento en el sector no replicado de la doble hélice.

La topoisomerasa I primero corta una de las cadenas del ADN, luego la cadena cortada gira una vuelta en torno a su propio eje y finalmente vuelve a unir los extremos cortados.

La topoisomerasa II corta las dos cadenas, las cuales luego de girar una vuelta alrededor del eje de la doble hélice, restablecen sus uniones.

Ambas enzimas utilizan energía del ATP y se comportan como nucleasas (cortando las cadenas de ADN) y luego como ligasas (restableciendo las uniones fosfodiéster).

Las topoisomerasas I y II se diferencian no sólo porque la primera corta una de las cadenas y la segunda corta las dos, sino también porque la topoisomerasa I realiza desenrollamientos de corto alcance y la girasa abarca una extensión de ADN bastante mayor.