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GUIA BIOLOGIA
2° MEDIO
Prof. José L. Contreras Rivera
Biólogo, licenciado en biología. PUCV
Profesor de E. M, mención en biología.
Licenciado en educación. U. MAYOR
CONTENIDO: Material genético y núcleo celular
Organización del material genético. Cromatina, cromosomas.
Bases del ciclo celular y mitosis.
OBJETIVOS: Reconocer la importancia de la conservación de la información genética
y el núcleo celular.
Conocer y comprender la organización del material genético eucarionte.
Conocer básicamente etapas del ciclo celular.
TEMA 1. MATERIAL GENÉTICO, NUCLEO Y ORGANIZACIÓN DEL MATERIAL GENETICO.
Ácidos Nucleicos
Son las únicas moléculas biológicas que poseen la capacidad de autoduplicación y están
formados por C, H, O, N y P. Son moléculas ácidas y actúan como depositarios y transmisores de la
información genética de cada célula, tejido y organismo. Gran parte del desarrollo físico de un
organismo a lo largo de su vida está programado en estas moléculas. Las proteínas que
elaborarán sus células y las funciones que realizarán, están registradas en estas “cintas”
moleculares.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico
(ARN). Cada uno de ellos está formado por la unión de unos monómeros (nucleótidos) similares
formando así una cadena polimérica, conectados entre sí por enlaces químicos llamados. Todos los
seres vivos contienen ambos tipos de ácidos nucleicos.
NUCLEÓTIDOS.
Los nucleótidos constituyen la unidad fundamental de los ácidos nucleicos y está formada por tres
subunidades características:
Un grupo fosfato (PO4-2).
Un azúcar de cinco carbonos (pentosa);
Una base nitrogenada (púrica o pirimídica).
Fig: Estructura básica de un nucleótido.
Los nucleótidos, además de su papel en la formación de estas dos importantes macromoléculas, el
DNA y RNA, tienen funciones independientes y de vital importancia para la vida celular.
ADN (ácido desoxirribonucleico) bases moleculares.
Es el material genético que los organismos heredan de sus padres. En él están los genes, porciones
específicas de la macromolécula de ADN, que programan las secuencias de aminoácidos y que
corresponde a la estructura primaria de las proteínas. De este modo, y a través de las acciones de
las proteínas, el ADN controla la vida de la célula y del organismo. El orden y disposición de sus
bases nitrogenadas constituyen el medio por el cual la información es codificada y transmitida a la
descendencia.
El ADN es una macromolécula compuesta de dos cadenas polinucleotídicas que se disponen
alrededor de un eje central imaginario formando una doble hélice, capaz de autorreplicarse y
dirigir la síntesis de ARN. Dentro de cada cadena de ADN, el grupo fosfato de un nucleótido se
enlaza con el azúcar (pentosa) del siguiente nucleótido de la cadena. Esta modalidad de
enlazamiento produce un “esqueleto” de azúcares y fosfatos alternados unidos por enlaces
covalentes. Así, las bases nitrogenadas conforman los “peldaños “de esta escalera de caracol.
Estas dos hebras de ADN se mantienen unidas mediante puentes hidrógenos entre las bases. Los
pares de bases están formados siempre por una purina (de mayor tamaño) y una pirimidina (de
menor tamaño) siendo complementarias entre sí. De esta forma ambas cadenas están siempre
equidistantes una de la otra. Los pares de bases adoptan una disposición helicoidal. En cada
extremo de la doble hélice, una cadena de ADN termina en un fosfato libre y la otra en un azúcar
libre, por lo tanto, se dice que están orientadas en sentidos opuestos.
Fig. La estructura de doble hélice del DNA, según Watson y Crick.
El núcleo celular eucarionte.
Algunos autores consideran al núcleo como un compartimento y otros lo consideran un organelo;
en la célula eucariótica es el lugar físico donde se encuentra el material genético o DNA, que es el
responsable del control metabólico y de la continuidad de la vida.
En la célula eucariótica, el núcleo (Figura) tiene una doble membrana de similares características
que la membrana celular (tiene dos bicapas o 4 capas de fosfolípidos), el tamaño y la posición es
variable y depende de las necesidades de la célula; también el número de núcleos varía de acuerdo
al tipo de células; en general se acepta que un determinante de esto es la necesidad de control
metabólico por parte de la célula, por ejemplo, células hepáticas grandes pueden tener 2 o 3
núcleos, lo mismo ocurre con células musculares.
Fig. Núcleo celular interfásico.
Importancia del núcleo celular.
Los primeros registros sobre el núcleo fueron realizados por Francis Bauer (1800) en orquídeas, sin
ninguna percepción de su relación con la estructura celular. Robert Brown (1828), considerado el
descubridor del núcleo celular, estableció su presencia en células eucariontes vegetales y animales.
Esta estructura contiene la información hereditaria, por lo que está involucrado en la transmisión
del mensaje a través de las generaciones celulares y en su crecimiento y desarrollo.
Sin embargo, las investigaciones demoraron en desentrañar la función de su contenido: el material
genético. Casi cien años después, la investigación pionera fue realizada por el alemán Joachim
Hammerling con el alga acetabularia. Posteriormente, en los sesenta, el científico John Gurdon
realizó un experimento que confirmo la idea de que las características hereditarias se encontraban
alojadas en el núcleos de las células eucariontes. Además, este trabajo desecho la idea de gran
parte del mundo científico de la época que creía que la diferenciación de las células en tejidos se
debía a la pérdida gradual de segmentos de material genético (genes), explicando así por ejemplo
que en una célula muscular solo quedaban los genes propios de las células musculares y que los
otros se perdían.
Descripción del experimento
Procedimiento
Trabajó con la especie de rana Xenopus
laevis, linaje silvestre y albino. A
ovocitos de la primera rana se
irradiaron con UV y se obtuvieron
células anucleadas (destrucción de los
núcleos). Por otra parte al linaje albino
se le extrajeron los núcleos de células
intestinales.
Estos
núcleos
se
implantaron en los ovocitos anucleados
de la línea silvestre.
Resultados
Los ovocitos comenzaron a dividirse,
dando origen a renacuajos de la línea
albina. Como se puede apreciar el
resultado pudo ratificar la idea de que
el material genético se encontraba en el
núcleo.
Niveles de organización del material genético eucarionte
La fibra de cromatina a partir de la doble hélice de la molécula de DNA y con la incorporación
progresiva de proteínas, se organizan las estructuras que forman la fibra de cromatina y desde ésta,
los cromosomas. En la estructuración de la cromatina participa una familia de proteínas llamadas
histonas. Estas proteínas se asocian en grupos de ocho unidades, es decir, en octámeros
(2 H2a ; 2 H2b ; 2 H3 ; 2 H4 ).
La molécula de DNA y los octámeros de histonas forman unidades llamadas nucleosomas. Los
nucleosomas se encuentran separados en trechos regulares en los que el DNA está asociado a una
molécula de histona llamada H1 (Figura 9). Lo que llamamos fibra de cromatina resulta por
acercamiento y compactación de los nucleosomas entre sí.
Cuando la cromatina se encuentra en su máximo grado de compactación (o enrollamiento) se le
denomina cromosoma, y es observable durante la metafase mitótica.
Fig. El ciclo resume eventos que ocurren entre la fibra de cromatina y la formación del cromosoma.
Obviamente, las dimensiones aumentan en la medida que nuevos elementos se incorporan a
la cromatina (ver valores en la figura siguiente). La fibra de cromatina forma asas o giros, de
aproximadamente 300 nm, que se sujetan sobre proteínas de soporte que sirven de andamiajes.
Varios de estos giros se repliegan sobre si mismos en sentido perpendicular a lo que será la
cromátida del cromosoma. Los cromosomas no tienen ningún tipo de membrana.
Fig. La secuencia de figuras a la izquierda corresponde a las estructuras inferidas a partir de las
fotografías que se muestran a la derecha, obtenidas en el microscopio electrónico
TEMA 2 : REPRODUCCION CELULAR: BASES DE CICLO CELULAR Y MITOSIS.
INTRODUCCIÓN
Todas las células, desde que surgen por división de otras células hasta que vuelven a dividirse,
atraviesan una serie de etapas que constituyen su ciclo vital, cuya duración aproximada, en el
hombre, es de 24 horas. De esta forma, se podría definir el ciclo celular como el período de tiempo
que abarca desde que se forma una célula hasta que se divide dando lugar a dos nuevas células.
Esta división celular permite a los individuos unicelulares su reproducción, que corresponde a una
forma de reproducción asexuada, conocida como bipartición (el total de la descendencia
corresponde a una multiplicación clonal de las células progenitoras, es decir, forma clones).
En organismos pluricelulares la división celular permite obtener células con la misma información
genética y que participan en el desarrollo del individuo, reparación de lesiones, regeneración de
tejidos, crecimiento de órganos y crecimiento del organismo.
La secuencia de procesos que una célula debe cumplir para poder dividirse se suele representar
por un ciclo llamado ciclo celular.
1. CICLO CELULAR O CICLO PROLIFERATIVO CELULAR
La duración del ciclo celular varía según el tipo de célula, así como la presencia de factores
externos tales como la temperatura y disponibilidad de nutrientes.
Las etapas en la que se divide el ciclo son: G1, S, G2 y la fase M o división celular.
Aquella células que se encuentran en reposo proliferativo (no se están dividiendo, por ejemplo una
neurona), se encuentran en un estado llamado G0, que no forma parte del ciclo celular.
El Ciclo Celular se puede dividir en dos periodos o fases, la interfase (incluye a G1, S y G2) y
la división celular (fase M). Esta última fase incluye a dos diferentes estadios: la Mitosis
(división nuclear) y la Citocinesis (división citoplasmática) (Figura).
Las células eucariotas, tanto las animales como las vegetales, presentan distinta capacidad de
división. Las células que se encuentran en el ciclo celular se llaman células proliferantes y las
que se encuentran en fase G0 se llaman células quiescentes.
Fig. Etapas del ciclo celular.
1.1. Interfase.
La interfase es un estadio de gran actividad metabólica en el cual los genes entran en acción y se
produce la duplicación del DNA y de sus proteínas asociadas. Durante ella se observa el material
genético disperso por el núcleo de la célula, constituyendo la cromatina. Como se indicó comprende
las fase G1, fase S y fase G2.
• En la fase G1 (quiere decir "GAP 1" o Intervalo 1) no hay síntesis de DNA, pero sí puede haber
reparación del DNA dañado.
Es un periodo de actividad bioquímica intensa. La célula aumenta de tamaño y sus enzimas,
ribosomas y mitocondrias, así como otras moléculas y estructuras son sintetizadas "de novo"
completando la estructura metabólica celular. Puede durar desde algunas horas hasta meses o
años, aunque en estos dos últimos casos se puede considerar en fase G0. En esta etapa las fibras
de cromatina (cromosomas) son simples y se le asocia el valor 2c.
• En la fase S (representa "Síntesis"), hay duplicación del DNA y síntesis de las proteínas asociadas
con el DNA, por tanto, se forman dos copias idénticas del DNA que existía en G1. Al final de la
etapa S a la célula se le asigna el valor de 4c. Dura algunas horas.
• En la fase G2 ya existen dos copias de DNA (4c) en el cromosoma y al igual que en G1 corresponde
reparar el DNA dañado y comienza la síntesis de proteínas necesarias para la conformación de
filamentos de cromatina que inicia lentamente su enrollamiento y compactación. Estos dos eventos
provocarán la aparición de los cromosomas (46 en los humanos), lo que va a permitir la separación
del material genético de las células en la mitosis y en la meiosis. Además en las células animales
procede la duplicación del par de centríolos que se completa ubicándose en forma perpendicular
fuera de la membrana nuclear, cerca de los polos celulares. También se inicia el ensamblaje de
estructura como huso mitótico sobre el cual se organizarán los cromosomas.
• La mayoría de los autores reconocen la fase G0 o de Reposo proliferativo, donde se encuentran
aquellas células que no están proliferando (multiplicando) y experimentan el proceso de
diferenciación, donde se especializan. Dependiendo de su situación, puede revertirse en forma
facultativa volviendo al ciclo y de aquí a la mitosis, como las células hepáticas o hepatocitos. Para
aquellas células muy diferenciadas, el retorno a la fase de proliferación, es en general casi
imposible, como por ejemplo, las células nerviosas o neuronas.
Fig. Etapas del ciclo celular. Se indica la variación de DNA a lo largo del ciclo.
Mitosis
La Mitosis es la división del núcleo (donde las cromátidas hermanas de cada cromosoma se
separan), para producir dos células hijas idénticas. Didácticamente se divide en 4 fases:
Profase
Metafase
Anafase
Telofase
Profase (desorganización nuclear)
Inicialmente los cromosomas se encuentran desenrollados (cromatina), iniciando su condensación.
Se visualiza el nucléolo. La célula puede contener un par de centríolos duplicados (o centros de
organización de microtúbulos en vegetales). Los cromosomas se aprecian con las dos cromátidas
constituyentes, denominadas cromátidas hermanas, unidas por el centrómero.
El nucléolo, desaparece progresivamente, los centríolos comienzan a moverse a los polos de la
célula y algunas fibras comienzan a extenderse desde los centrómeros.
Hacia el final de la profase la membrana nuclear desaparece completamente y el citoesqueleto, que
mantiene la arquitectura interna de la célula se disgrega.
Alrededor de cada centrómero aparecen los cinetocoros, estructuras proteicas de anclaje para las
fibras del huso mitótico.
Los centros mitóticos alcanzan los extremos polares y los cromosomas se ubican al azar en el
citoplasma y se conectan a los polos a través de las fibras cinetocóricas del huso mitótico. Esto
marca el fin de la profase.
Metafase (formación de la placa metafasica)
Con las fibras del huso unidas al cinetocoro, los cromosomas pueden ser trasladados. Las fibras del
huso son contráctiles y los movimientos cromosomales son el producto de esta tensión, que
irradian en direcciones opuestas del cromosoma. Los cromosomas son alineados a lo largo del plano
ecuatorial celular.
Al alcanzar el ecuador se forma la placa ecuatorial y termina la metafase.
Anafase (separación de las cromatidas hermanas)
Los cromosomas dobles se dividen, separando sus cromátidas hermanas. Esto origina en un
momento 92 cromosomas simples en la especie humana, éstos se mueven en sentido opuesto, hacia
los polos. El resultado final de este proceso es la presencia de 46 cromosomas simples en las
inmediaciones de cada centríolo. Este punto marca el fin de la anafase.
Aunque esta etapa es constante, puede ocurrir algún error y la división de un cromosoma puede no
ser efectiva o en forma parcial, dando origen a modificación en el cariotipo de los individuos.
Telofase ( reorganización nuclear)
Ocurre la reconstrucción de los núcleos. Cuando las cromátidas, llegan a los polos opuestos de la
célula, ya han desaparecido las fibras cinetocóricas. Las fibras polares del huso elongan la célula.
Nuevas membranas se forman alrededor de ellos formando 2 núcleos hijos, uno en cada polo. Los
cromosomas se desenrollan y ya no son visibles bajo el microscopio óptico.
Se observa el nucléolo en cada núcleo. Las fibras del huso se desagregan. En este momento se
observa una célula con dos núcleos, y la citocinesis puede comenzar.
Fig. Etapas de la Mitosis.
Citocinesis o Citodiéresis. (división del citoplasma)
La célula tiene dos núcleos y lo usual es que éstos se separen con parte del citoplasma de la célula
madre para formar células individuales con una distribución de organelos más o menos equitativa,
y que asegure su supervivencia. La mayoría de las separaciones tienen que ser dinámicas Esta
etapa se conoce por citocinesis, citoquinesis o citodiéresis. Esta difiere en células animales y
vegetales (Fig A y B)
En células animales se agrupan filamentos de actina y miosina en el ecuador de la célula
constituyendo un anillo contráctil comenzando a angostarse en ese mismo plano provocando un
estrangulamiento que origina dos células hijas. Con participación del citoesqueleto, varios organelos
se mueven a posiciones opuestas y quedan en situación optima para el funcionamiento futuro. El
tabique de separación se forma desde fuera hacia dentro de la célula (centrípeta) (Fig A).
En las células vegetales, el tabique que se comienza a formar en la telofase, en la placa ecuatorial,
resulta de la acumulación de vesículas procedentes del Aparato de Golgi. Están cargadas con los
componentes de la futura pared celular, contienen celulosa no ordenada ni estratificada,
asociándose con los microtúbulos residuales del huso mitótico. Estos comienzan a fusionarse desde
el centro hacia la periferia (Fig B)
Fig A. Formación del anillo contráctil en el proceso de citocinesis de una célula animal.
Fig B. Esquema de la formación del fragmoplasto en células vegetales.
VARIACIÓN DE LA CANTIDAD DE ADN DURANTE EL CICLO CELULAR.
Una misma célula puede mantener la cantidad de cromosomas (mantener la ploidía) y sin embargo,
ver modificado su contenido de ADN .Las células que se encuentran en G1 o reposo proliferativo
(G0), formarían, si fuesen inducidas, cromosomas simples. En consecuencia, por cada cromosoma
habría una macromolécula de ADN.
En la especie humana, por ejemplo, 46 cromosomas y 46 macromoléculas de ADN. Diríamos que
por cada “n” habría un número idéntico de ADN, que llamaremos “c”. Luego como la célula humana
es diploide (2n) y tendrá (2c) en cantidad de ADN. Sin embrago, esto puede cambiar, dado durante
la fase S se duplica la cantidad de ADN y no se altera la cantidad de cromosomas. Así, en G2 se
observarían cromosomas dobles, es decir, por cada “n” habrá “2c”, por consiguiente diríamos que
estamos en presencia de una célula “2n” y “4c” (Fig).
Fig. Cromosomas simples y cromosomas dobles en el ciclo celular.
Fig. Variación de la cantidad de ADN durante el ciclo celular.
ACTIVIDADES DE SELECCIÓN MULTIPLE. TEMA 2: REPRODUCCION CELULAR Y MITOSIS.
Señale el orden correcto de la Mitosis.
A) Interfase, Profase, Telofase, Anafase.
B) Metafase, Anafase, Profase, Telofase.
C) Profase, Metafase, Anafase, Telofase.
D) Anafase, Metafase, Interfase, Profase.
E) Anafase, Metafase, Profase, Telofase.
La citocinesis o citodiéresis corresponde a
A) un tipo de cáncer.
B) la muerte de la célula.
C) la división citoplasmática.
D) el movimiento de los centríolos.
E) la duplicación de los cromosomas.
Una célula humana durante la anafase mitótica posee
A) 23 cromosomas dobles.
B) 46 cromosomas simples.
C) 92 cromosomas dobles.
D) 92 cromosomas simples.
E) 23 cromosomas simples.
Si a un cultivo de células de la piel se le agrega un inhibidor de la citodiéresis, se podría
esperar que
A) no se realice síntesis de ADN.
B) aparezcan células con dos núcleos.
C) se obtengan células con menos cantidad de ADN.
D) se obtengan dos células hijas de diferente tamaño.
E) se obtenga una célula con núcleo y otra sin núcleo.
En la interfase del ciclo celular, es correcto afirmar que, las células
I) replican el ADN.
II) presentan membrana nuclear.
III) aumentan la actividad metabólica.
Es (son) correcta(s)
A) sólo I.
B) sólo II.
C) sólo III.
D) sólo I y II.
E) I, II y III.
¿Cuál de las siguientes alternativas no es característica de la mitosis?
A) Producir dos células genéticamente iguales.
B) Permitir variabilidad genética de las células.
C) Asegurar la reparación y formación de tejidos.
D) Asegurar la transferencia vertical de información.
E) Permitir la repartición equitativa del material genético.