Figura 10

Unidad 1: MATERIAL GENÉTICO Y DIVISIÓN CELULAR

Los genes de los cromosomas homólogos no necesariamente poseen la misma información

Debes recordar que cada cromosoma posee un homólogo, es decir, un cromosoma de estructura similar. La similitud también incluye el tipo de genes que cada homólogo posee. Por ejemplo, en el cromosoma humano nº 9 se encuentran los genes que determinan si la persona es del grupo sanguíneo O, A, B o AB. Pero poseemos dos cromosomas nº 9: uno de nuestro padre y otro de nuestra madre. Como las características de nuestros padres no tienen por qué ser las mismas, es perfectamente posible que cada cromosoma del par 9 posea información distinta para el gen de grupo de sangre. Nuestro grupo sanguíneo depende de la combinación de los dos genes para grupo sanguíneo que nuestros padres nos aportaron en el par nº 9.

Lo importante es recordar que todos los genes que posee un determinado cromosoma son los mismos que posee su homólogo, aunque pueden variar en el tipo de información que ese gen define.Actividad 1: ¿qué aprendí sobre cromosomas homólogos?Observa el esquema de la figura, que representa a un par de cromosomas homólogos.Ahora debes coloca una cruz bajo la frase que creas más pertinente, independientemente de si la situación es verdadera o falsa.

1. No entiendo lo que dice2. No lo sé3. Lo sé muy poco4. Algo sé5. Lo sé bien6. Lo sé muy bien y podría explicarlo a un compañero

1 2 3 4 5 6A. La especie humana posee 23 cromosomas homólogos.

B. La mosca de la fruta posee menos cromosomas que la especie humana

C. Los cromosomas de la figura son homólogos por que presentan el mismo bandeo.

D. Las regiones A y B de la imagen señalan genes con exactamente la misma informaciónE. Las regiones A y C por pertenecer al mismo cromosoma, deben poseer funciones relacionadas.F. A y B señalan tan solo a un gen cada uno

Los genes se construyen en base a fibras de ADN

Químicamente, los genes son trozos o segmentos de ADN. Es en él donde la información genética está codificada. El ADN es una molécula en forma de escalera que mide 2 nm de ancho. Los cromosomas están formados por una molécula de ADN y proteínas.

El ADN humano de los 46 cromosomas puede llegar a medir más de 1,5 m de largo y está contenido en el núcleo celular que mide milésimas de milimetros (micrometros). Es decir, el ADN está enormemente empaquetado. Las proteínas cromosomales son las encargadas de empaquetar al ADN. Uno de estas proteínas se denominan histonas y son las que empaquetan enrrollando el ADN: 1° como cuentas de un collar, luego se apilan las cuentas (6 cuentas por vuelta) y esta fibra (denominada fibra básica de la cromatina y que mide 30 nm de espesor) vuelve a sobrenrrollarse, de modo que finalmente forman el grosor de cada cromátida que mide 700 nm de diámetro. El cromosoma posee un esqueleto en forma de H, sobre el que se disponen los enrollamientos del ADN, tal como se esquematiza en la figura 12.

Actividad 2 Toma un trozo de alambre delgado y flexible (como el que hay al interior de

cables telefónicos) de 1 m de largo y plasticina. Considera que la fibra de ADN (es decir la molécula doble y helicoidal que fue

descrita) será representada por una hebra de alambre y las histonas serán trocitos cilíndricos de plasticina.

Toma un lápiz y enrolla el alambre 3 veces alrededor. Luego, quédate con "el molde" y acomoda uno de los cilindros de plasticina al interior del espiral de alambre. Repite esta operación 6 veces seguidas.

Intenta nuevos niveles de enrrollamiento, tal como se describe en el texto. Completa el siguiente cuadro, que compara las relaciones de longitud de tu

propio modelo de ADN y de la molécula original:

Molécula de ADN ModeloFibra de ADN extendida (cromatina) 1,5 m 1 m

Curso Segundo MedioAsignatura BiologíaProfesora Daniela SánchezIdentificación del alumno

Fibra de ADN condensada (cromosoma)¿Cómo calcularías la cantidad de veces que cabe un cromosoma a lo largo de la fibra de cromatina que se origina al descondensarse?

Persiste una pregunta de fondo: ¿por qué motivo las fibras de ADN se condensan para formar cromosomas? y ¿por qué a veces tienen aspecto de cromatina? La respuesta a esta pregunta, requiere de una historia previa y tiene que ver con un proceso que es común para todos los tipos de organismos, tanto unicelulares como pluricelulares: la división celular.

2. Mitosis: función y regulación

La división celular explica muchos procesos que realizan los organismos

Un organismo unicelular, como por ejemplo un protozoo, bajo ciertas condiciones es capaz de reproducirse generando un número cada vez mayor de individuos de la misma especie. De igual forma, en un organismo pluricelular, los billones de células que lo constituyen provienen de una sola célula. En ambos casos, la célula original genera dos células fenotípicamente idénticas, las que, a su vez, se dividen generando cuatro células; y así sucesivamente, hasta conseguir muchos millones de células.

Actividad 3. Reconociendo procesos de división celularDe los siguientes procesos que ocurren normalmente en el ser humano, marca aquellos que deberían realizarse por división celular.

¿Qué mecanismos son comunes a todos estos procesos?En cualquiera de los ejemplos anteriores, las células hijas son más pequeñas que las células madre. Por tanto, cualquiera de las dos células hijas carece de ciertos materiales que poseía la célula madre. Según lo que tú ya sabes, ¿qué estructuras deberían traspasarse necesariamente a cada una de las células hijas?A pesar que el proceso de división celular puede ocurrir en muchos tipos de células, con formas y funciones distintas, llama la atención que las células hijas tarde o temprano

adquieran siempre el aspecto y la función de la célula madre. ¿Cómo podrías explicar esta situación?

Actividad 4. Análisis de experimento sobre división celular

Observa la Figura, que señala un experimento realizado en ratas. Si se separan las dos primeras células del desarrollo embrionario (llamadas blastómeros) de una rata albina y cada una de ellas se transplantan al útero de dos ratas hospederas: una rata hospedera gris y otra rata hospedera manchada, de ambas ratas hospederas nacerán crías albinas.

a) Describe el experimento y los resultadosb) ¿Por qué se utilizaron ratas huéspedes no albinas?c) ¿Cuál es la conclusión que se puede hacer basándose en los

resultados?d) ¿Se puede afirmar que la división celular, que propaga las

características de la célula huevo, permite traspasar el genotipo y el fenotipo de la rata albina original? ¿Por qué?

Las células se pueden dividir. Es un hecho que lo hacen. ¿Te atreves a proponer un modelo que explique este proceso?

Todo proceso de división celular requiere previamente la duplicación del material genético. Este proceso se realiza mediante un mecanismo llamado "replicación del ADN"

En el caso de la especie humana, por poseer 23 pares de fibras de ADN, antes de la división celular tendremos 23 pares de fibras duplicadas. El esquema de la Figura representa este proceso con una sola fibra. Los distintos segmentos de la fibra representan zonas en que se encuentran genes específicos.

Figura

a. Fibra original b. Fibra comienza a copiarse c. Duplicación está más avanzada d. Fibra completamente duplicada

Resumiendo:

Figura

a. Crecimiento de huesos b. Desarrollo embrionario c. Formación de células de la sangre

d. Regeneración de la piel e. Cicatrización f. Formación de un tumor (cáncer)

2

Figura

Para que el proceso de división celular sea válido, la célula madre debe entregar a cada una de sus células hijas el tipo y la cantidad exacta de material genético que ésta posee. Para realizarlo, copia cada una de sus fibras de ADN mediante un proceso conocido como replicación.

Poco antes que se produzca la división, al interior del núcleo de una célula humana se debería poder contar un total de 23 pares de fibras duplicadas. En la figura se esquematiza esta nueva situación. Se han pintado de color azul las fibras "originales" y de color rojo las "copias", representado solo 10 fibras de las 23.

Si cada fibra posee entonces un "original" y una "copia", se espera que se distribuyan una cada una en las dos células hijas.

En la realidad cada fibra de cromatina del ADN humano puede llegar a medir varios centímetros de largo. Si, al mismo tiempo, toda la cromatina al interior del núcleo ocupa un espacio cercano a los 5 x 10 -7 mm3, resulta muy difícil de entender de qué manera pueden separarse originales y copias entre las dos células hijas, sin lugar a errores.

Este proceso de división, que genera copias exactas a la célula madre en base a una replicación previa del ADN, se denomina MITOSIS

Actividad 5. Investigando las etapas de la mitosisLas siguientes figuras muestran las etapas fundamentales de la mitosis. Sin embargo, están desordenadas cronológicamente.

Basándose en los conocimientos recogidos en el transcurso de este capítulo, realiza las siguientes tareas: Ordénalas de manera lógica, poniéndoles un número en el recuadro inferior. Averigua el nombre y función de las estructuras marcadas, usando fuentes bibliográficas. Copia los esquemas en tu cuaderno, en el orden correcto. Averigua el nombre de cada etapa.

Figura Esquemas de diversas etapas de la mitosis

Actividad 6: Revisa cuánto aprendiste acerca de los procesos fundamentales que suceden antes y durante la mitosis. Tras marcar tus opciones, compártelas con tu grupo. Utiliza la misma clave de la actividad de evaluación de la página 9, en la parte superior.

1 2 3 4 5 6a. ¿Por qué las fibras de cromatina deben duplicarse antes de la mitosis?b. ¿Por qué las fibras duplicadas deben condensarse para que ocurra la mitosis?c. ¿Cuál es el papel que juega el huso mitótico?d. ¿En qué momento de la mitosis es posible encontrar cromosomas?e. ¿Por qué debe desaparecer la carioteca durante la mitosis?

Las etapas de la vida de una célula se ordenan convencionalmente en el ciclo celular

Observa el siguiente esquema que resume el ciclo celular:Interfase MG1 S G2

Duración aproximada 4 horas 10 horas 4 horas 2 horas

Actividad celularSíntesis de proteínas y ácidos nucleicos.Actividad normal de la célula

Replicación paulatina del ADN

Síntesis de proteínas del citoesqueleto

División del material genético

Cantidad de material genético

Actividad 7 Justificando las etapas de la interfase. Justifica el rol de las etapas G1, S y G2 de la Interfase.

Figura . Esquema de célula antes y después de la replicación

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Interpreta el gráfico de la página anterior. Explica por qué se llama "ciclo celular", si técnicamente una célula sólo se puede dividir una vez en su vida.

Un ciclo proliferativo incluye todas estas etapas y eventualmente agrega una etapa Go, llamada de reposo proliferativo o de diferenciación. Es decir, la célula interrumpe su ciclo celular para desarrollar las características propias del tejido al que pertenece. En los organismos multicelulares, como los animales y plantas existen diferentes tipos de poblaciones celulares. Unas en proliferación, tales como los tejidos en renovación (piel, médula ósea), las células cancerosas o las células en cultivo. Otras poblaciones están habitualmente en reposo proliferativo (Go), sin embargo, después de estimularlas con algún estímulo específico pueden entrar nuevamente al ciclo proliferativo.

Un tejido es un grupo de células de similar forma y función, con algún mecanismo de comunicación que favorece el trabajo conjunto y coordinado

Actividad 8: Sacando cuentas.Si una célula posee 10 fibras de ADN durante el inicio de G1. Con esta información, completa el siguiente cuadro:

En grupo comparen sus resultados y discutan ¿En qué se equivocaron? ¿Por qué les sucedió esto? ¿Qué conceptos no están claros?

Todos los mecanismos que caracterizan a la mitosis ocurren de manera similar en todos los procesos que se basan en este tipo de división celular.

Actividad 9: Mitosis en unicelulares y multicelulares.Observa atentamente el siguiente esquema que señala los procesos que se realizan a través de mitosis, distinguiendo aquellos que se realizan en organismos unicelulares o en multicelulares

Fisión binaria

MITOSIS

Mecanismos de reproducción asexuada: Esporulación y fragmentación

Yemación Desarrollo embrionarioCrecimiento

Esporulación CicatrizaciónRegeneración de tejidos

Escoge cualquiera de los procesos señalados y construye un esquema completo de mitosis utilizando los elementos estructurales y contextuales novedosos de este proceso. Por ejemplo, si escoges fisión binaria, puedes representar la mitosis en un paramecio o una ameba, con todas las estructuras propias de estos microorganismos.

La célula regula su propia mitosis

Otro fenómeno común a toda célula que realiza mitosis es su regulación: la célula sabe cuándo "debe" realizar mitosis y cuando mantenerse en interfase. Una adecuada regulación de la mitosis en el crecimiento de un órgano permitirá una armonía entre el aumento de su tamaño y la optimización de su función. En cambio, un desequilibrio podría acarrear un mal funcionamiento para todo el órgano.

Actividad 9: Mitosis anormales.La figura muestra de qué manera se producen las alteraciones en la mitosis celular. Analízala con atención y escoge una de las

explicaciones posibles que aparecen más abajo, aportando una adecuada justificaciónLa causa más probable de la anormalidad señalada en la figura sería que:a) Las células normales, afectadas por

agentes cancerígenos se saltan la etapa S de interfase y se dividen desordenadamente

b) Las células normales, afectadas por agentes cancerígenos, comienzan una etapa M (de mitosis) permanente, lo que genera varias células hijas de una misma célula madre

Nº de fibras de cromatina enG1SG2

Nº de cromosomas en ProfaseMetafase

Nº de cromátidas en MetafaseAnafaseTelofase

Nº de fibras de cromatina en G1 de cada célula hijaGo (reposo proliferativo)

Figura: Alteraciones en la mitosis

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c) Las células normales, afectadas por agentes cancerígenos, acortan G1, realizando S y G2 de manera normal, lo que genera mitosis más seguidas y un tejido atrofiado

d) Las células normales, afectadas por agentes cancerígenos, tras realizar mitosis, pierden parte del material citoplasmático, lo que produce tejidos atrofiados.

Compara tu respuesta con la de tus compañeros. Participa en la puesta en común.

Actividad: Alteraciones y cáncerLee el siguiente documento acerca de las causas y consecuencias de una mitosis mal regulada.

Origen del cáncer1

La carcinogénesis o aparición de un cáncer es el resultado de dos procesos sucesivos: el aumento descontrolado de la proliferación de un grupo de células que da lugar a un tumor, y la posterior adquisición por estas células de capacidad invasiva, que les permite diseminarse desde su sitio natural en el organismo y colonizar y proliferar en otros tejidos u órganos, proceso conocido como metástasis.

Si sólo tiene lugar un aumento del crecimiento de un grupo de células en el lugar donde normalmente se hallan, se habla de un tumor benigno, que generalmente es eliminable completamente por cirugía. Por el contrario, cuando las células de un tumor son capaces de invadir los tejidos circundantes o distantes, tras penetrar en el torrente circulatorio sanguíneo o linfático, y formar metástasis se habla de un tumor maligno o cáncer (ver figura). Las metástasis son las responsables de la gran mayoría de los tratamientos fallidos y, por tanto, de las muertes por cáncer. La primera fase de un tumor es la alteración de la capacidad de proliferación de una célula como resultado de una mutación en uno de los genes que la controlan. Es la iniciación, y al agente que la causa se le llama iniciador. Esta célula "iniciada" crece con una velocidad ligeramente superior a las normales, y puede pasar inadvertida durante un período muy largo.

Los carcinógenos actúan modificando los genes implicados en el control de la proliferación celular, de modo que su papel es colaborar con la mutación iniciadora, y sólo causan cáncer cuando actúan de modo repetido tras el carcinógeno iniciador. Es la segunda fase, promoción, durante la cual el agente promotor estimula el crecimiento de las escasas células iniciadas que con una sóla mutación tenían ligeramente alterado su crecimiento. Este aumento de células con una mutación favorece la posibilidad de que alguna de ellas acumule una nueva mutación que la haga crecer aún más deprisa, ya que la división celular aumenta el riesgo de adquirir mutaciones. Los estrógenos, que aumentan la proliferación de las células epiteliales de la mama, actúan como un agente promotor. La relación entre la estimulación del crecimiento celular y la promoción del cáncer es evidente en los efectos del alcohol, que al causar la muerte de células del epitelio del esófago induce su rápido reemplazo y aumenta así el riesgo de cáncer esofágico. El humo del tabaco contiene numerosas sustancias que son iniciadores o promotores tumorales: benzopirenos, nicotina, naftilaminas, fenoles,...

La reducida probabilidad de mutaciones espontáneas hace que la duración de esta fase en que el tumor no es aún visible sea muy larga, puesto que se necesitan millones de células con una mutación para que alguna desarrolle un segundo cambio genético. Ello se deduce claramente del retraso en 5 a 20 años que existe entre la exposición al tabaco y el desarrollo de cáncer de pulmón, o del de la aparición de leucemia por efecto de radiaciones en supervivientes a las explosiones nucleares de Hiroshima y Nagasaki.

La tercera fase es la progresión tumoral o adquisición de nuevas (tercera, cuarta...) alteraciones genéticas que provocan un aumento de la malignidad, con adquisición de capacidad invasiva y metastásica.

El cáncer es la consecuencia de mutaciones que producen la expresión anormal de un número reducido de nuestros genes: los oncogenes, los genes supresores de tumores y los genes de reparación del ADN.

Los genes son partes de la molécula del ácido desoxirribonucleico (ADN o DNA) de los cromosomas que codifican la secuencia de aminoácidos de un polipéptido o proteína. Las aproximadamente 1013-1014

células (diez a cien billones) del cuerpo humano contienen el mismo número de cromosomas (46) y, por tanto, de genes (unos 30 mil).

La nomenclatura utilizada en la literatura científica es a veces confusa. Como es lógico, nuestras células no tienen normalmente genes inductores de cáncer. Los oncogenes son, en realidad, formas mutadas de genes normales (los proto-oncogenes). Es al

1 Adaptación de extracto del libro "Cáncer. Genes y nuevas terapias"?, Editorial Hélice; Madrid, 1997 realizado por el Dr. Alberto Muñoz. Disponible en http://www.cnio.es/cancer/cancer.html

Figura Pulmones de persona fumadora, muerta a causa de cáncer pulmonar, mostrando múltiples tumores y manchas de alquitrán

Figura Bases genéticas del cáncer de colonEl desarrollo del cáncer de colon comprende cuatro cambios genéticos: (1) Un antioncogen localizado en el cromosoma 5 es mutado en una de las células del colon. La célula se multiplica formando un pólipo, un crecimiento pequeño que proyecta. (2) En una de las células del pólipo, un protoncogén localizado en el cromosoma 12 muta en un oncogén verdadero. Esta célula se multiplica más rápidamente, y el pólipo se hace más grande. (3) Un segundo gen supresor de tumor, en este caso localizado en el cromosoma 18, muta en una de las células que ya tiene las dos primeras mutaciones. Esta célula acelera su velocidad de multiplicación y el pólipo se convierte en un tumor. (4) Finalmente, el antioncogen p53 localizado en el cromosoma 17 muta en una célula que ya presenta las tres mutaciones previas. Sus células hijas ahora se multiplican rápidamente, invaden la pared del colon y hace metástasis

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mutar éstos, y originar proteínas con función alterada que estimulan el crecimiento o la invasividad celular, cuando se convierten en oncogenes. No pocas veces, incluso la mera expresión excesivamente elevada de la proteína normal codificada por un proto-oncogén es suficiente para inducir transformación celular. Se dice que los oncogenes son las formas "activadas" de los proto-oncogenes, consecuencia de mutaciones que causan una "ganancia de función", es decir, un efecto biológico distinto del que tienen los proto-oncogenes. Así, el término proto-oncogenes debiera reservarse a los genes normales, y el de oncogenes a las formas mutadas de los mismos.

Un segundo grupo lo constituyen los llamados genes supresores de tumores o antioncogenes, cuya función normal es controlar el ciclo de división celular, evitando el crecimiento excesivo, o el mantenimiento de las características que especifican la localización de las células en un lugar determinado. Estos genes inducen la aparición de cánceres cuando al mutar dejan de expresarse (por deleción) o producen una proteína no funcional. El antioncogen mejor estudiado se llama P53.

En la figura se ejemplifica cómo interactúan cuatro genes en la formación de un cáncer metastático de colon.

Según el documento y tus propias ideas:a) ¿Cómo se activan las células cancerígenas?b) ¿Cuándo un cáncer se transforma en cáncer maligno?c) ¿Cuál es la diferencia entre un protooncogén, un oncogén y un antioncogén?d) ¿Según tú, cuáles serían las causas más comunes de cáncer?e) ¿Cómo crees que ha cambiado la visión social y cultural que se tiene acerca del cáncer?f) ¿Qué es lo que más te llamo la atención del texto?g) ¿Lo aprendido en está unidad te ha ayudado a comprender mejor el texto leído? ¿Por qué?h) ¿Qué es lo que más te costó entender del texto? Subráyalo. Asegúrate de preguntar tus dudas al profesor.

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