Fases del Ciclo Celular

Un ciclo celular eucariótico típico se ilustra con células humanas en cultivo, que se dividen aproximadamente cada 24 horas. Según se observa en el microscopio, el ciclo celular se divide en dos partes básicas: mitosis e interfase. La mitosis (división nuclear) es la etapa más dramática del ciclo celular, correspondiente a la separación de cromosomas hijas y que generalmente termina con la división celular (citocinesis). Sin embargo, la mitosis y la citocinesis duran solo alrededor de una hora, por lo que aproximadamente el 95% del ciclo celular se pasa en interfase, el período entre mitosis. Durante la interfase, los cromosomas se descondensan y se distribuyen por todo el núcleo, por lo que el núcleo aparece morfológicamente uniforme. A nivel molecular, sin embargo, la interfase es el tiempo durante el cual tanto el crecimiento celular como la replicación del ADN ocurren de manera ordenada en preparación para la división celular.

La célula crece a un ritmo constante a lo largo de la interfase, con la mayoría de las células en división duplicando su tamaño entre una mitosis y la siguiente. En contraste, el ADN se sintetiza durante solo una porción de la interfase. La sincronización de la síntesis de ADN divide así el ciclo de las células eucariotas en cuatro fases discretas (Figura 14.1). La fase M del ciclo corresponde a la mitosis, que suele ir seguida de citocinesis. Esta fase es seguida por la fase G1 (brecha 1), que corresponde al intervalo (brecha) entre la mitosis y el inicio de la replicación del ADN. Durante la G1, la célula es metabólicamente activa y crece continuamente, pero no replica su ADN. G1 es seguido por la fase S (síntesis), durante la cual tiene lugar la replicación del ADN. La finalización de la síntesis de ADN es seguida por la fase G2 (gap 2), durante la cual el crecimiento celular continúa y las proteínas se sintetizan en preparación para la mitosis.

Figura 14.1

Fases del ciclo celular. El ciclo de división de la mayoría de las células eucariotas se divide en cuatro fases discretas: M, G1, S y G2. La fase M (mitosis) suele ir seguida de citocinesis. La fase S es el período durante el cual se produce la replicación del ADN. La célula crece (más…)

La duración de estas fases del ciclo celular varía considerablemente en diferentes tipos de células. Para una célula humana típica de rápida proliferación con un tiempo de ciclo total de 24 horas, la fase G1 puede durar alrededor de 11 horas, la fase S alrededor de 8 horas, G2 alrededor de 4 horas y M alrededor de 1 hora. Sin embargo, otros tipos de células pueden dividirse mucho más rápidamente. Las levaduras en ciernes, por ejemplo, pueden progresar a través de las cuatro etapas del ciclo celular en solo unos 90 minutos. Ciclos celulares aún más cortos (30 minutos o menos) ocurren en las células embrionarias tempranas poco después de la fertilización del óvulo (Figura 14.2). En este caso, sin embargo, el crecimiento celular no tiene lugar. En cambio, estos primeros ciclos de células embrionarias dividen rápidamente el citoplasma del óvulo en células más pequeñas. No hay fase G1 o G2, y la replicación del ADN ocurre muy rápidamente en estos primeros ciclos de células embrionarias, que por lo tanto consisten en fases S muy cortas alternando con fases M.

Figura 14.2

Ciclos de células embrionarias. Los primeros ciclos de células embrionarias dividen rápidamente el citoplasma del óvulo en células más pequeñas. Las células no crecen durante estos ciclos, que carecen de G1 y G2 y consisten simplemente en fases S cortas que alternan con fases M.

En contraste con la rápida proliferación de células embrionarias, algunas células en animales adultos dejan de dividirse por completo (por ejemplo, las células nerviosas) y muchas otras células se dividen solo ocasionalmente, según sea necesario para reemplazar las células que se han perdido debido a una lesión o muerte celular. Las células de este último tipo incluyen los fibroblastos de la piel, así como las células de muchos órganos internos, como el hígado, los riñones y los pulmones. Como se explica más adelante en la siguiente sección, estas células salen de G1 para entrar en una etapa quiescente del ciclo llamada G0, donde permanecen metabólicamente activas pero ya no proliferan a menos que se les solicite hacerlo por señales extracelulares apropiadas.

El análisis del ciclo celular requiere la identificación de células en las diferentes etapas discutidas anteriormente. Aunque las células mitóticas pueden distinguirse microscópicamente, las células en otras fases del ciclo (G1, S y G2) deben identificarse mediante criterios bioquímicos. Las células en fase S se pueden identificar fácilmente porque incorporan timidina radiactiva, que se utiliza exclusivamente para la síntesis de ADN (Figura 14.3). Por ejemplo, si una población de células humanas en cultivo que proliferan rápidamente se expone a timidina radiactiva durante un corto período de tiempo (por ejemplo, 15 minutos) y luego se analiza por autorradiografía, aproximadamente un tercio de las células se marcarán radioactivamente, lo que corresponde a la fracción de células en fase S.

Figura 14.3

Identificación de células de fase S mediante incorporación de timidina radiactiva. Las células fueron expuestas a timidina radiactiva y analizadas por autorradiografía. Las celdas etiquetadas se indican con flechas. (De D. W. Stacey et al., 1991. Mol. Cell Biol. 11: 4053.) (mas…)

Las variaciones de dichos experimentos de etiquetado celular también se pueden utilizar para determinar la longitud de las diferentes etapas del ciclo celular. Por ejemplo, considere un experimento en el que las células se exponen a timidina radiactiva durante 15 minutos, después de lo cual se elimina la timidina radiactiva y las células se cultivan durante períodos de tiempo variables antes de la autorradiografía. Las células de interfase marcadas radioactivamente que estaban en fase S durante el tiempo de exposición a timidina radiactiva se observarán durante varias horas a medida que progresan a través del resto de S y G2. Por el contrario, las células mitóticas marcadas radioactivamente no se observarán hasta 4 horas después de la marcación. Este tiempo de retardo de 4 horas corresponde a la longitud de G2, el tiempo mínimo requerido para que una célula que incorporó timidina radiactiva al final de la fase S entre en la mitosis.Las células

en diferentes etapas del ciclo celular también se pueden distinguir por su contenido de ADN (Figura 14.4). Por ejemplo, las células animales en G1 son diploides (que contienen dos copias de cada cromosoma), por lo que su contenido de ADN se conoce como 2n (n designa el contenido de ADN haploide del genoma). Durante la fase S, la replicación aumenta el contenido de ADN de la célula de 2n a 4n, por lo que las células en S tienen un contenido de ADN que varía de 2n a 4n. El contenido de ADN luego permanece en 4n para las células en G2 y M, disminuyendo a 2n después de la citocinesis. Experimentalmente, el contenido de ADN celular se puede determinar mediante la incubación de células con un tinte fluorescente que se une al ADN, seguido de un análisis de la intensidad de fluorescencia de células individuales en un citómetro de flujo o clasificador celular activado por fluorescencia, distinguiendo así las células en las fases G1, S y G2/M del ciclo celular.

Figura 14.4

Determinación del contenido de ADN celular. Una población de células se etiqueta con un tinte fluorescente que une el ADN. A continuación, las células pasan a través de un citómetro de flujo, que mide la intensidad de fluorescencia de las células individuales. Los datos se representan como celdas (más…)