Biology · AP Biology
Comunicación celular y ciclo celular
señales y la división que desencadenan
Las células se comunican entre sí mediante moléculas. Llega una señal, un receptor la capta y una cadena de proteínas dentro de la célula la transmite hasta que algo cambia: se activa un gen, una enzima empieza a trabajar, la célula se divide.
A la derecha, una molécula de epinefrina se une a un receptor de una célula del hígado. Dentro, cada proteína activa varias de la siguiente, así que una señal en la superficie termina en miles de enzimas activas que degradan glucógeno.
Este capítulo sigue esas señales: hasta dónde llegan, cómo un receptor las convierte en una respuesta, qué pasa cuando una vía se rompe y cómo la retroalimentación mantiene estable el cuerpo. Después pasa a la respuesta más importante para el crecimiento y la reparación, el ciclo celular, y a las señales y puntos de control que lo regulan. Cuando esos controles fallan, el resultado es el cáncer.
por contacto, localmente y a distancia
Una señal es una molécula (un ligando) que una célula libera y otra detecta. La distancia que debe recorrer clasifica la señalización en tres tipos.
Contacto directo. Las células animales unidas por uniones comunicantes y las células vegetales unidas por plasmodesmos comparten su citoplasma: los iones y las moléculas pequeñas pasan directamente. Las células también pueden comunicarse por contacto, cuando una proteína en la superficie de una célula se une a un receptor de otra. Una célula inmunitaria que presenta un antígeno activa así a un linfocito T cooperador.
Señalización local. Una célula secreta un regulador local que se difunde a las células cercanas (señalización paracrina). Los factores de crecimiento funcionan así, y los morfógenos de un embrión indican a las células dónde están. En una sinapsis, una neurona libera un neurotransmisor a través de un espacio estrecho hacia un solo blanco. Las bacterias también liberan señales: cuando hay suficientes células, la señal alcanza un umbral y la población responde en conjunto (percepción de quórum).
Señalización a larga distancia. Las células endocrinas liberan hormonas en la sangre, que las lleva por todo el cuerpo: insulina, hormona del crecimiento humana, hormonas tiroideas, testosterona y estrógeno. Las plantas envían hormonas por su tejido vascular o, como el etileno, por el aire.
Una señal llega a muchas células, pero solo responden las que tienen el receptor correspondiente. En la figura, la hormona pasa junto a la célula sin receptor y actúa sobre la que sí lo tiene.
recepción, transducción, respuesta
Toda vía de señalización tiene tres etapas. Recepción: el ligando se une a su receptor. Transducción: el receptor cambia de forma y pasa la señal por una serie de moléculas. Respuesta: la célula hace algo.
Un receptor es una proteína cuyo sitio de unión encaja con la forma y las cargas de su ligando, igual que el sitio activo de una enzima encaja con su sustrato. Por eso una señal actúa solo en las células que tienen su receptor, y por eso una molécula de forma parecida puede bloquearla o imitarla.
El lugar donde está el receptor depende del ligando:
| ligando | ejemplos | receptor |
|---|
| polar o grande | epinefrina, insulina, la mayoría de los péptidos | en la membrana plasmática, con el sitio de unión por fuera |
| pequeño, no polar | hormonas esteroideas (testosterona, estrógeno), hormona tiroidea | en el citoplasma o en el núcleo |
A la izquierda, un ligando soluble en agua no puede cruzar la bicapa; se une a un receptor de membrana cuyo cambio de forma llega a una proteína de relevo en el interior. A la derecha, un esteroide se difunde a través de la bicapa, se une a un receptor en el citoplasma y el par entra al núcleo como factor de transcripción que activa un gen.
Las respuestas incluyen cambios en la expresión de los genes, en la actividad de enzimas, en el citoesqueleto, la división celular y la muerte celular. Muchas vías llegan ahí mediante la modificación de proteínas, casi siempre añadiendo grupos fosfato, una proteína tras otra.
segundos mensajeros, cinasas y amplificación
La epinefrina (adrenalina) indica a una célula del hígado que libere glucosa. Nunca entra en la célula; una cadena de proteínas lleva su mensaje al interior.
La epinefrina se une a un receptor acoplado a proteína G (GPCR), que cruza la membrana siete veces. El receptor cambia de forma y activa una proteína G, que cambia GDP por GTP y activa la enzima adenilil ciclasa. Esa enzima convierte ATP en AMP cíclico (AMPc), un segundo mensajero: pequeño, rápido de producir y que se difunde por el citoplasma. (Ca2+ e IP3 son segundos mensajeros en otras vías.)
El AMPc activa la proteína cinasa A. Una cinasa transfiere un grupo fosfato del ATP a otra proteína, cambiando su forma y su actividad. Una cinasa fosforila a otra cinasa, una cascada de fosforilación, hasta que la última activa la glucógeno fosforilasa, que corta glucosa del glucógeno. Las fosfatasas quitan los fosfatos, de modo que la vía se apaga cuando cesa la señal.
Amplificación. Cada paso activa muchas copias del siguiente. Con estos números en cada paso:
| una molécula de epinefrina produce | moléculas |
|---|
| receptor unido a epinefrina | 1 |
| proteínas G activas, cada una activa una adenilil ciclasa | 10 |
| cAMP | 1,000 |
| proteína cinasa A activa | 500 |
| fosforilasa cinasa activa | 5,000 |
| glucógeno fosforilasa activa | 50,000 |
| glucosa 1-fosfato separada del glucógeno | 5,000,000 |
Las ganancias se multiplican: . Una cascada de varios pasos también ofrece más puntos para regular la señal y permite que una señal se ramifique en varias respuestas.
Otros receptores funcionan de otra manera. Un receptor tirosina cinasa se une en pares cuando se une su ligando y se fosforila a sí mismo, e inicia varias vías a la vez. Un canal iónico activado por ligando se abre para dejar pasar iones.
mutaciones, fármacos y toxinas
Una respuesta es tan buena como cada eslabón de su vía. Si cambia cualquier componente, por una mutación o una sustancia química, cambia la respuesta.
A la derecha, tres copias de una misma vía reciben el mismo pulso de ligando (trazo gris):
| vía | qué cambió | respuesta |
|---|
| normal | nada | activa mientras el ligando está unido, apagada después |
| receptor bloqueado | un antagonista ocupa el sitio de unión | ninguna, sin importar cuánto ligando haya |
| relevo siempre activo | una mutación mantiene activo el relevo | siempre activa, con o sin ligando |
Mutaciones. Un cambio en el dominio de unión del receptor puede impedir que se una a su ligando; un cambio en otra parte puede dejarlo emitiendo señales sin ningún ligando. Una proteína de relevo que ya no puede apagarse sigue ordenando a la célula que se divida; las proteínas Ras mutadas de este tipo se encuentran en muchos cánceres.
Sustancias químicas. Un antagonista se une a un receptor sin activarlo: los betabloqueadores ocupan los receptores de epinefrina del corazón y bajan la presión arterial, y los antihistamínicos bloquean los receptores de histamina. Un agonista imita al ligando. La toxina del cólera altera una proteína G en las células intestinales para que permanezca activa; el AMPc se mantiene alto, las células expulsan Cl− y el agua lo sigue, lo que causa diarrea grave.
Las enfermedades siguen la misma lógica: en la diabetes tipo 2, las células blanco responden poco a la insulina, así que la señal se envía pero la respuesta es insuficiente.
un cambio desencadena su propia corrección
En la retroalimentación negativa la respuesta se opone al cambio que la causó y devuelve el sistema a su punto de ajuste. Así el cuerpo mantiene casi constantes la glucosa en sangre, la temperatura y el equilibrio de agua: la homeostasis.
Después de comer, la glucosa en sangre sube. Las células β del páncreas lo detectan y liberan insulina. La insulina indica a las células del hígado, del músculo y del tejido adiposo que absorban glucosa, y al hígado que la almacene como glucógeno, de modo que la glucosa baja de nuevo. Cuando la glucosa cae por debajo del punto de ajuste, las células α liberan glucagón, el hígado descompone el glucógeno y la glucosa vuelve a subir.
| minutos después de la comida | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 180 |
|---|
| glucosa (mg/dL) | 90 | 139 | 126 | 111 | 101 | 93 |
|---|
| insulina (µU/mL) | 8 | 67 | 59 | 41 | 28 | 14 |
|---|
La glucosa alcanza su máximo unos 29 minutos después de la comida y vuelve a estar cerca de 90 mg/dL a los 120 minutos. La insulina sube con la glucosa y baja cuando la glucosa regresa: la corrección se apaga sola.
Cuando el circuito falla. En la diabetes tipo 1 las células β son destruidas y no se produce insulina (curva gris): la glucosa empieza alta y se mantiene alta. En la enfermedad de Graves, los anticuerpos estimulan la tiroides como lo haría su propia hormona reguladora; la tiroides produce cada vez más hormona, que ya no apaga su propio estímulo.
un cambio que se impulsa a sí mismo
En la retroalimentación positiva la respuesta amplifica el cambio que la causó y aleja el sistema de su punto de partida. Se usa en eventos que deben completarse rápido, y algo fuera del circuito tiene que terminarlo.
Parto. La cabeza del bebé estira el cuello uterino. Los nervios envían la señal al cerebro y la hipófisis posterior libera oxitocina. La oxitocina hace que el útero se contraiga con más fuerza, lo que estira más el cuello uterino, lo que libera más oxitocina. En la figura cada contracción es 1.45 veces la anterior. El nacimiento elimina el estiramiento y el circuito se detiene.
Lactancia. Cuando el bebé succiona se activan hormonas que liberan leche, así que succiona más; el destete la termina. Maduración de los frutos. La fruta que madura produce el gas etileno, que acelera la maduración en ella misma y en las frutas vecinas. Coagulación de la sangre. Las plaquetas en una herida liberan sustancias que atraen más plaquetas, hasta que la herida queda sellada.
| retroalimentación negativa | retroalimentación positiva |
|---|
| la respuesta | se opone al cambio | refuerza el cambio |
| el resultado | estabilidad alrededor de un punto de ajuste | un cambio rápido y completo |
| ejemplos | glucosa en sangre, temperatura corporal | parto, lactancia, maduración |
interfase y luego división
El ciclo celular es la vida de una célula desde una división hasta la siguiente. Casi todo es interfase, cuando la célula crece y copia su ADN; una fase M breve la divide.
| fase | qué ocurre | horas |
|---|
| G1 | crecimiento; la célula produce proteínas y organelos | 11 |
| S | síntesis de ADN: se replica cada cromosoma | 8 |
| G2 | más crecimiento; la célula se prepara para dividirse | 4 |
| M | mitosis y luego citocinesis | 1 |
En una célula humana en cultivo, el ciclo completo dura unas 24 horas, 23 de ellas de interfase. En la gráfica, el ADN por célula se duplica de 2C a 4C durante S, se mantiene en 4C durante G2 y la mitosis, y se reduce a la mitad cuando una célula se convierte en dos.
Después de S, cada uno de los 46 cromosomas de una célula humana está formado por dos cromátidas hermanas idénticas unidas por el centrómero: 46 cromosomas, 92 cromátidas. La mitosis da una de cada par a cada célula hija, así que ambas reciben 46 y son genéticamente idénticas a la célula madre. La mitosis permite el crecimiento del cuerpo, repara tejidos y es la forma en que muchos organismos se reproducen asexualmente.
G0. Una célula que se especializa suele salir del ciclo y dejar de dividirse. La mayoría de las neuronas y las células musculares maduras permanecen en G0; las células del hígado pueden volver al ciclo cuando el hígado se lesiona.
Calcular tiempos a partir de una muestra. En una muestra de células en división, la fracción de células en cada fase es la fracción del ciclo que se pasa en ella. Si 20 de 480 células están en mitosis, M dura 20/480 × 24 h = 1.0 h.
replicar, alinear, separar
La mitosis reparte una copia completa del genoma a cada célula hija. Sigue un orden: los cromosomas ya replicados en S se condensan, se alinean en el centro de la célula y se separan hacia extremos opuestos.
La célula de la derecha tiene 2n = 4: dos pares de homólogos, en rojo los de un progenitor y en azul los del otro. Es un proceso continuo; los nombres habituales marcan sus etapas.
Profase. La cromatina se condensa en cromosomas compactos, cada uno con dos cromátidas hermanas. La envoltura nuclear se desintegra y los dos centrosomas se separan, formando entre ellos el huso de microtúbulos.
Metafase. Los microtúbulos de polos opuestos se unen al centrómero de cada cromosoma, uno a cada hermana, y los cromosomas se alinean en la placa metafásica.
Anafase. Las hermanas se separan y son jaladas hacia polos opuestos. Cada cromátida es ahora un cromosoma por derecho propio: por un momento la célula tiene 8.
Telofase y citocinesis. Se forma una envoltura nuclear alrededor de cada juego y los cromosomas se descondensan. La citocinesis divide el citoplasma: una célula animal se estrangula en dos en un surco de división; una célula vegetal construye una placa celular a través del centro.
| cromosomas | cromátidas (moléculas de ADN) |
|---|
| G1 | 4 | 4 |
| G2 hasta metafase | 4 | 8 |
| anafase | 8 | 8 |
| cada célula hija | 4 | 4 |
El examen AP pregunta por el orden de estos eventos (replicación, alineación, separación) y qué logra cada uno, no por los nombres de las fases.
puntos de control, ciclinas y CDK
Una célula se divide solo cuando debe. En los puntos de control el ciclo se detiene hasta que las condiciones son adecuadas.
| punto de control | qué pregunta |
|---|
| punto de control G1 | ¿Es la célula lo bastante grande, hay nutrientes y factores de crecimiento, y el ADN está sin daños? |
| punto de control G2 | ¿Se replicó todo el ADN y está sin daños? |
| punto de control M | ¿Cada cromosoma está unido a fibras del huso de ambos polos? |
Una célula que no pasa el punto de control de G1 no entra en S; puede entrar en G0. Una célula que no pasa el punto de control de M se detiene en metafase, de modo que no se pierde ningún cromosoma.
Ciclinas y CDK. Una cinasa dependiente de ciclina (CDK) está presente durante todo el ciclo, pero solo es activa cuando se une a una ciclina. La ciclina se produce de forma constante durante la interfase (curva roja) y se destruye en la mitosis. Cuando se ha acumulado suficiente ciclina, los complejos ciclina–CDK fosforilan las proteínas que llevan a la célula a la siguiente etapa. El complejo que desencadena la mitosis es el MPF (azul). Cuando la ciclina se destruye en la anafase, el MPF se desactiva y la célula puede terminar de dividirse.
Aquí intervienen señales externas. Un factor de crecimiento, como el factor de crecimiento derivado de plaquetas en una herida, se une a un receptor e inicia una vía que aumenta los niveles de ciclina y empuja a la célula más allá del punto de control de G1.
cuando fallan los controles
Alterar el ciclo celular puede terminar de dos maneras: una célula que se divide cuando no debe, o una célula a la que se hace morir.
El cáncer es la división celular descontrolada, causada por mutaciones en los genes que regulan el ciclo. Las células normales en una caja de cultivo dejan de dividirse cuando se tocan (inhibición por densidad) y se dividen solo cuando están adheridas a una superficie (dependencia de anclaje). Las células cancerosas ignoran ambas cosas y se apilan formando un tumor.
Intervienen dos tipos de genes. Los protooncogenes codifican proteínas que promueven la división, como los receptores de factores de crecimiento y las proteínas de relevo; una mutación que hace a uno hiperactivo, un oncogén, funciona como un acelerador presionado a fondo. Los genes supresores de tumores codifican los frenos. El más conocido, p53, detiene el ciclo cuando el ADN está dañado y, si el daño no se puede reparar, inicia la apoptosis. El cáncer normalmente requiere varias mutaciones de este tipo en una misma línea celular.
La apoptosis es la muerte celular programada. La célula se encoge, su ADN se corta en pedazos y se divide en fragmentos rodeados de membrana que otras células engullen, sin derramar su contenido en el tejido. Elimina células dañadas y da forma al cuerpo: en un embrión humano elimina el tejido entre los dedos.
Duplicación. Un cultivo de células cancerosas que se duplica cada 24 horas, a partir de 1,000 células:
| horas | 0 | 24 | 48 | 72 | 96 |
|---|
| células | 1,000 | 2,000 | 4,000 | 8,000 | 16,000 |
|---|
: después de 96 h, 4 duplicaciones, 16 veces el número de células.
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