El ciclo celular es el conjunto de etapas que constituyen y delimitan la vida de una célula . Este ciclo se compone de varias fases de crecimiento en las que la célula crece y duplica su material genético (interfase) y de una fase en la que se divide (mitosis) para dar lugar a dos células hijas idénticas (en el caso de la mitosis). Las células hijas reproducirán este ciclo y así sucesivamente.
Las duraciones de las diferentes fases del ciclo celular podrían medirse in vitro en condiciones óptimas:
Con, dependiendo de las especies y tipos de células:
El genoma de los eucariotas comprende un número N de tipos de cromosomas . Este número difiere de una especie a otra.
Cada célula diploide contiene dos cromosomas homólogos (que tienen las mismas funciones) por tipo, uno del padre y otro de la madre, en total 2 veces los cromosomas N, abreviado "2N".
Cada célula haploide contiene sólo un cromosoma por tipo, una mezcla de genes del padre y la madre obtenidos mediante el proceso de cruzamiento , ver más abajo, en total 1 veces N, cromosomas abreviados "1N".
Los cromosomas producidos por el proceso de replicación se denominan " cromátidas " o "cromátidas hermanas" y no retoman su nombre de "cromosoma" hasta después de su separación en mitosis / anafase o meiosis / anafase2. Otras fuentes solo usan el término "cromátida" cuando los centrómeros de los cromosomas están en contacto entre sí.
El número de cromátidas por tipo de cromosoma en una célula se indica con un número, seguido de la letra C. Por ejemplo, "4C" para 4 cromátidas por tipo de cromosoma.
Algunos ejemplos :
Nota: En aras de la claridad, las ilustraciones y los textos que siguen están escritos como si solo hubiera un tipo de cromosoma. Obviamente, debe recordarse que se aplican a todos los N tipos de cromosomas.
La interfase es cuando la célula vive y hace todo lo que está programado (~ 90% del ciclo celular). También se está preparando para dividir. Las etapas de la división se detallan a continuación:
La mitosis es cuando la célula se divide. La mitosis (división celular con o sin multiplicación celular) se utiliza principalmente para el crecimiento y la regeneración, mediante la replicación cromosómica y la división celular, del tejido celular de cada órgano del cuerpo. Este crecimiento va de la mano de la diferenciación celular .
Durante la división mitótica, la célula madre da lugar a dos células hijas genéticamente idénticas. Una de las células hijas permanece en la etapa de diferenciación de la célula madre, mientras que la otra adquiere su propiedad funcional durante este proceso. Por tanto, un tejido está formado por dos tipos de células: las que aseguran el linaje y las que aseguran la función. Por ejemplo, las células madre son el producto de líneas sin diferenciación, mientras que las células funcionales están programadas para morir. Estos son los últimos trabajos sobre la célula que validaron la teoría del Dr. André Gernez , que data de 1971-72. Las etapas de la división se detallan a continuación:
NB: en realidad existe una fase intermedia de "prometafase" durante la cual se observa la ruptura de la envoltura nuclear, así como la penetración de microtúbulos cinetocoricos y polares en la "zona nuclear" (es más fácil no considerar esta fase) .
El propósito de la meiosis es doble: por un lado la mezcla del genoma paterno y materno, asegurando así la máxima variación genética, y por otro lado la producción de células haploides a una cromátida para la reproducción sexual.
Durante la fertilización, una célula 1N-1C se fusionará con un gameto de otro organismo para producir un cigoto 2N-2C.
A veces hablamos de células "posmitóticas" para designar células quiescentes o senescentes. Las células no proliferativas en eucariotas multicelulares generalmente entran en el estado inactivo G0 desde el estado G1 y pueden permanecer inactivas durante mucho tiempo, o incluso indefinidamente (lo que ocurre con frecuencia en las neuronas). Este es muy a menudo el caso de células completamente diferenciadas. La senescencia celular ocurre como resultado de la degradación o daño del ADN, daño que de otro modo resultaría en la no viabilidad de la descendencia celular (carcinogénesis, etc.). Hay algunas células que entran en la fase G0 durante un período semipermanente, incluidas algunas células del hígado, los riñones y el estómago. Sin embargo, muchas células nunca entran en la fase G0 y, en cambio, continúan dividiéndose a lo largo de la vida del organismo (p. Ej., Células epiteliales).
Subtítulo:
Los mecanismos de regulación del ciclo celular se basan esencialmente en dos estructuras proteicas complementarias llamadas Cdk ( quinasa dependiente de ciclinas ) y ciclina . Cdk es el componente básico, pero, como sugiere el nombre, necesita una ciclina para activar sus funciones. Cdks y ciclinas se combinan y forman complejos heterodiméricos.
Hay varios tipos de Cdk y ciclinas. Los primeros se identifican con números y los segundos con letras. Para un complejo, se anotará , por ejemplo: Cdk4 -CyclineD. Un Cdk puede formar complejos con varias ciclinas diferentes y viceversa. Uno o más complejos Cdk-ciclina corresponden a cada fase del ciclo celular.
Un Cdk está formado por dos lóbulos: el lóbulo N, esencialmente formado por láminas beta, y el lóbulo C, formado esencialmente por hélices alfa. En la intersección de los dos lóbulos, hay un sitio catalítico donde se produce la fosforilación , que activa proteínas que juegan un papel en el ciclo celular (fragmentación de la envoltura nuclear, compactación de cromosomas, replicación del ADN, etc.). Para ello, Cdk necesita ciclinas y diversas proteínas reguladoras. El sitio comprende dos bolsas yuxtapuestas: una para recibir el sustrato (la proteína a fosforilar) y la otra para recibir el ATP . En esencia, la fosforilación se produce mediante la transferencia de fosfato-γ del ATP al sustrato. A continuación, se liberan el ADP resultante y el sustrato fosforilado.
En el estado inactivo, la entrada al sitio catalítico está bloqueada por dos bucles de proteínas: el dominio PSTAIRE (llamado así por las iniciales de los aminoácidos constituyentes) y el bucle T (bucle T ).
Durante la asociación con la ciclina, el bucle PSTAIRE experimenta una rotación que da forma al bolsillo de ATP para obtener una orientación adecuada del trifosfato durante la fosforilación del sustrato.
Al mismo tiempo, el bucle T se desplaza, exponiendo ciertos aminoácidos CDK ( treonina 161, treonina 14 y tirosina 15) a quinasas reguladoras.
Las ciclinas son los activadores primarios del complejo Cdk-ciclina. Además, están regulados por una serie de quinasas y fosfatasas activadoras e inhibidoras, así como por moléculas inhibidoras llamadas CKI (inhibidor de quinasas dependiente de ciclina).
Quinasas activadorasDurante la transición tiene lugar la transcripción de genes esenciales para G1 y la entrada en división. Esta transcripción es estimulada por dos vías de señalización:
Se transcriben los genes de las ciclinas D y E, así como las proteínas p21 y p27 , incluida la ciclina E bajo el control de E2F.
Este paso está bajo el control del punto R, él mismo bajo el control de varias proteínas: Rb , E2F , cdk2 , cdk4 . En la fase G1, el Rb no fosforilado se une a E2F e inhibe.
Durante el paso, cycD / cdk4 y cycE / cdk2 hiperfosforilato de Rb (4 sitios de fosforilación), que libera E2F . El E2F libre forma un heterodímero con la proteína DP. Juntos desempeñan el papel de factor de transcripción e inducen genes diana, lo que permite la progresión a la fase S, durante la cual tiene lugar la síntesis de ADN .
Este paso está regulado por el complejo Cdk1-CyclineB.
Al principio, la ciclina B se une a Cdk1, lo que provocará la "apertura" del brazo que permitirá el acceso al sitio ATPasic de Cdk1. El complejo ciclina B-Cdk1 será fosforilado por la enzima Wee1 en treonina 14 y tirosina 15 de Cdk1 que impide el acceso de ATP al sitio de ATPasa.
Luego, la enzima CAK fosforila el complejo en la treonina 161 de Cdk1, lo que permite la "apertura" del brazo permitiendo que el sustrato acceda al sitio del sustrato de Cdk1. Dado que el acceso al sitio de ATP está bloqueado, Cdk permanece inactivo, por lo que aún no puede fosforilar el sustrato. En este punto, el complejo se fosforila 3 veces. Esto forma el pre-MPF.
Para que este último se active y por lo tanto induzca el paso a la mitosis , debe ser desfosforilado en los residuos 14 y 15 por Cdc25: esto provoca la “apertura” del brazo permitiendo el acceso al sitio ATPasa. De hecho, el complejo fosforilado solo en el residuo 161 de Cdk1 forma el MPF activo.
El ATP en el sitio de la ATPasa cede su grupo fosfato al sustrato que, por tanto, se fosforila. Dependiendo de la naturaleza del sustrato, esta fosforilación inhibirá o activará este sustrato.
Por tanto, existe una competencia real entre Wee1, que es una quinasa y que, por tanto, tenderá a fosforilarse en los residuos 14 y 15 y así inactivar MPF, y Cdc25, que es una fosfatasa y que, por tanto, tenderá a desfosforilar los residuos 14 y 15. y así activar el pre-MPF en MPF activo. Hay una entrada en la fase de mitosis.
Wee1 es activo cuando no está fosforilado, mientras que Cdc25 es activo solo cuando está fosforilado. Por tanto, existe la intervención de otras proteínas quinasas y fosfatasa .
Principio: la timidina radiactiva tritiada (H3), va al núcleo, y se incorpora solo en células cuyo ADN incorpora nucleótidos, es decir células en fase S. El interés de la timidina es que se incorpore al ADN, pero no al ARN . Después de enjuagar el medio de cultivo y luego de la incubación, se puede medir la proporción de células que comprenden timidina radiactiva.
Principio: las células se incuban con un tinte de ADN fluorescente. La cantidad de fluorescencia es proporcional a la intensidad de la fluorescencia. Se utiliza un fluorímetro . Por tanto, se puede calcular la duración de la fase G1. La duración de cada fase se obtiene combinando las tres técnicas.
La regulación del ciclo celular debe ser muy fina. Por ejemplo, los cánceres se caracterizan por una proliferación anárquica debido a la interrupción del sistema de control del ciclo celular. Consulte los oncogenes , que a menudo son genes que codifican proteínas responsables del control del ciclo celular.
NB: Durante el ciclo celular, existen puntos de control que permiten a la célula verificar que no se ha realizado ninguna modificación a nivel genético (replicación incorrecta del ADN) y estructural (huso mitótico malformado). Estos sistemas son muy importantes para la integridad de nuestra herencia genética. Estos puntos de control pueden evitar que el ciclo avance si no se cumplen las condiciones y, por lo tanto, llevar a la célula a la apoptosis (muerte celular programada). Estos puntos de control se pueden alterar y evitar cualquier regulación del ciclo celular. En efecto, hay una respuesta que es instantánea y otra que se retrasa. En todos los casos, ambas respuestas están habilitadas. La llamada respuesta rápida trabaja con fosforilaciones mientras que la llamada respuesta retardada involucra un factor de transcripción.