APUNTES DE TEÓRICOS DE BIOLOGÍA HUMANA.
Introducción a Biología Humana. La antropología es una ciencia cuyo objeto de estudio es el hombre buscando las causas de la variabilidad. Existen dos tipos de antropología: -
Biológica: filogenia (evolución humana) y ontogenia (crecimiento y desarrollo).
-
Social: cultura, antropología, etnología, etnografía y antropología cultural y social.
En cuanto a la Biología humana , se pueden distinguir tres grupos: 1) Aquellos en los que la Antropología biológica biológica es parte de la Biología humana. humana. 2) En los que la Biología humana está incluida en la Antropología Antropología biológica. 3) Aquellos en los que la Biología humana humana y la Antropología humana humana son sinónimos. sinónimos. (Este es el caso que se da en Argentina). La evolución son los cambios a través del tiempo, tanto progresivos como recesivos. recesi vos. El más apto para subsistir es aquel que se reproduce, es decir, que deja descendencia. Los humanos se vuelven más aptos gracias al desarrollo desarr ollo cultural. La cultura es la base de la Biología humana. Es el concepto unificador básico de la Antropología, ya que sin un enfoque cultural, el estudio sería inútil. Concepto básico de cultura (Taylor): La cultura es una totalidad compleja que incluye conocimientos, creencias, arte, moral, ley, costumbres y todas las demás capacidades y hábitos que el hombre adquiere como miembro de su sociedad.
Una ciencia es un conjunto de conocimientos que poseen un método. Las ciencias se clasifican según su objeto de estudio, método y conclusiones en: Ciencias formales o ideales. -
Relaciones entre signos y formas.
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Método deductivo/racional.
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Tratan entes ideales.Ciencias fácticas o materiales.
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Relaciones entre sucesos y procesos.
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Método inductivo/experimental.
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Tratan entes fácticos.
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Se dividen en: sociales y naturales.
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Dentro de ellas se encuentra la Biología humana.
Corrientes filosóficas del pensamiento biológico. v Mecanicismo o monismo : deriva de la corriente filosófica monismo materialista, y sus principales representantes son Heráclito, Demócrito, Epicuro, Descartes. Plantean: - Son las mismas leyes para lo vivo que para lo no vivo (no hay diferencias entre los unos unos y los otros). Lo vivo puede explicarse con leyes físico-químicas. - Los fenómenos fenómenos biológicos como mecanismos, sometidos a leyes de causa y efecto (la vida es una respuesta a estímulos). - Los fenómenos vitales reducidos reducidos a la mecánica molecular. El cuerpo es una “máquina complicada” (el hombre es una máquina). - El todo puede ser explicado por las partes que lo componen (el todo todo es igual a la suma suma de las partes). - La vida surgió como una combinación de átomos al azar. El mecanicismo puede ser utilizado como una conpceción filosófica y una actitud metodológica. v Vitalismo o dualismo: sus principales representantes son Aristóteles, Galeano, Platón. Plantean: - Los fenómenos fenómenos vitales son la expresión de las fuerzas autónomas, propias de la materia viva. Los primeros vitalistas plantean que los fenómenos físico-químicos son insuficientes para explicar la vida. Recurren a la psiquis/el espíritu, planteando que de ello depende lo vital. Los neovitalistas no creen en esa fuerza vital que gobierna los procesos físico-químicos. Estos fenómenos físico-químicos son instrumentos necesarios para la vida. El vitalismo renuncia al criterio de una fuerza vital superior, s uperior, pero subordina todos los fenómenos vitales a un orden y determinación no existente en lo inanimado. v
Organicismo u holismo:
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Tratan entes fácticos.
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Se dividen en: sociales y naturales.
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Dentro de ellas se encuentra la Biología humana.
Corrientes filosóficas del pensamiento biológico. v Mecanicismo o monismo : deriva de la corriente filosófica monismo materialista, y sus principales representantes son Heráclito, Demócrito, Epicuro, Descartes. Plantean: - Son las mismas leyes para lo vivo que para lo no vivo (no hay diferencias entre los unos unos y los otros). Lo vivo puede explicarse con leyes físico-químicas. - Los fenómenos fenómenos biológicos como mecanismos, sometidos a leyes de causa y efecto (la vida es una respuesta a estímulos). - Los fenómenos vitales reducidos reducidos a la mecánica molecular. El cuerpo es una “máquina complicada” (el hombre es una máquina). - El todo puede ser explicado por las partes que lo componen (el todo todo es igual a la suma suma de las partes). - La vida surgió como una combinación de átomos al azar. El mecanicismo puede ser utilizado como una conpceción filosófica y una actitud metodológica. v Vitalismo o dualismo: sus principales representantes son Aristóteles, Galeano, Platón. Plantean: - Los fenómenos fenómenos vitales son la expresión de las fuerzas autónomas, propias de la materia viva. Los primeros vitalistas plantean que los fenómenos físico-químicos son insuficientes para explicar la vida. Recurren a la psiquis/el espíritu, planteando que de ello depende lo vital. Los neovitalistas no creen en esa fuerza vital que gobierna los procesos físico-químicos. Estos fenómenos físico-químicos son instrumentos necesarios para la vida. El vitalismo renuncia al criterio de una fuerza vital superior, s uperior, pero subordina todos los fenómenos vitales a un orden y determinación no existente en lo inanimado. v
Organicismo u holismo:
- Las partes pueden pueden entenderse sólo dentro del todo. todo. El todo todo es más que la suma de las partes. El ser vivo es una totalidad. totali dad. Las partes pierden sentido al ser separadas separa das del todo (integración e interdependencia). Se estudian las acciones a cciones de los elementos entre sí, dentro el todo (propiedades de las totalidades, los sistemas). - Existe una “organización específica” de los seres vivos, que varía según cada ser vivo. Todo ser vivo tiene una organización, según los distintos niveles biológicos (Niveles de organización). Los niveles de organización surgen de esta corriente, que los define como “grados de complejidad y jerarquías de integración”. - Cada parte se interrelaciona, se influye y se regula con el resto del organismo, para mantener la homeostasis (coordinación y autorregulación). - La actividad del individuo es primero automática y después refleja (automatismo ligado a la autorregulación, por retroalimentación). - Nuevas leyes, ausentes en lo no vivo, vivo, propias de lo vivo. Niveles de organización.
Abióticos: 1)
Atómico: partículas subatómicas, bioelementos.
2)
Molecular: biomoléculas, macromoléculas.
Bióticos: 3)
Celular: células.
4)
Orgánico o pluricelular: tejidos, órganos, aparatos y sistemas.
5)
Poblaciones.
Más específicamente, los niveles de organización son: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Nivel subatómico: protones, neutrones, electrones. Nivel atómico: todos los elementos de la tabla periódica. Nivel molecular: moléculas inorgánicas y moléculas orgánicas simples. s imples. Nivel macromolecular: proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos. Nivel macromolecular complejo: moléculas autoduplicables y enzimas integradas. Nivel protoplasmático: micro y macromoléculas integradas, en interacción interac ción con fenómenos vitales. 7. Nivel celular: a partir de aquí comienza la vida. Células. Se subdivide en: celular independiente, colonial complejo y celular dependiente. 8. Nivel tisular: tejidos. 9. Nivel de órganos. 10. Nivel de aparatos y sistemas. 11. Nivel de organismos complejos: individuos. 12. Nivel de poblaciones: agrupaciones de organismos de una misma especie.
13. Nivel de comunidades bióticas: coexistencia y correlación de poblaciones. 14. Ecosistema: conjunto de comunidades bióticas.
1. Biosfera: todos los ecosistemas. La célula: composición estructural y química. El hombre es el paradigma de la complejidad, en él coexisten los opuestos de “supremacía” y “primacía”. Puede representarse como una pirámide con los siguientes niveles: 1)
Nivel antrópico o socio-cultural (símbolo) à “supremacía”
2)
Nivel de organización biológico (célula) à “primacía”
3)
Nivel de organización físico-químico (átomo)
Composición química del hombre: la célula. La célula es la unidad anatómica y funcional de todo ser vivo. Tiene función de autoconservación y autoreproducción. Es una unidad vital, es la mínima expresión de materia viva. Existen dos tipos de célula: Procariota: no tienen un núcleo delimitado por una membrana, son más primitivas. Ej.: algas. Eucariota: tienen un núcleo delimitado por una membrana y forman parte de tejidos de organismos multicelulares. Hay dos tipos de célula eucariota, ambas tienen membrana celular, citoplasma, núcleo, orgánulos, pero se diferencian en: * Animal: no posee cloroplastos ni pared celular. * Vegetal tiene cloroplastos que le permiten elaborar su propio alimento (fotosíntesis) y posee pared celular. Los principales componentes de la célula son: - Membrana plasmática: rodea la célula. Delimita el territorio de la célula y controla su contenido químico. Es una doble capa de lípidos enfrentadas por sus extremos, y tiene proteínas intercaladas que se denominan: proteínas integrales (hacia la superficie externa) y proteínas periféricas (hacia el interior de la célula). Está compuesta por lípidos (40%), proteínas (50%) y glúcidos (10%). Esta membrana es de suma importancia, porque es el espacio donde se verifican los intercambios y cumple la función de seleccionar qué entra y qué sale de la célula (permeabilidad selectiva). Existen distintos tipos de transporte en la membrana: -
Transporte para moléculas de bajo peso molecular (según el uso de energía):
1)
Transporte pasivo: Difusión simple y Difusión facilitada (se utilizan transportadores).
2)
Transporte activo: Bomba de sodio-potasio y Otras bombas (bomba de calcio).
-
Transporte para moléculas de alto peso molecular:
1)
Endocitosis: entran moléculas. Ej.: fagocitosis (sólidos), pinocitosis (líquidos).
2)
Exocitosis: salen moléculas. Ej.: las hormonas, que viajan por sangre.
3)
Transcitosis: transporte de moléculas.
- Núcleo: es el centro de información de la célula, tiene contenido el ADN (la información genética). Tiene una membrana discontinua con complejos de poros que permiten la comunicación del núcleo con el citoplasma. El número de cromosomas es característico de cada especie y varía. Todos los individuos de una misma especie tienen el mismo número de cromosomas. Los hombres poseemos un número diploide: 46 cromosomas, que es asegurado por la meiosis y la mitosis. Las gametas llevan la mitad del número de cromosomas, son haploides: 23 cromosomas. - Citoplasma: es un medio acuoso de apariencia viscosa, donde están disueltas muchas sustancias alimenticias, y también los organoides: entre ellos están:
Los encargados de síntesis, almacenamiento y transporte:
Ribosomas: realizan la síntesis de proteínas y están sueltos en el citoplasma o adosados a la pared del retículo endoplasmático. -
Retículo endoplasmático liso: no tiene ribosomas, y transporta lípidos y glúcidos.
-
Retículo endoplasmático rugoso: tiene ribosomas, por lo tanto, sintetiza proteínas.
Aparato de Golgi : se ocupa de la secreción (eliminación de desechos). Está formado por sacos aplanados y apilados, no comunicados entre sí y rodeados por vesículas. Vacuolas: aparecen a medida que se produce el envejecimiento celular. Están compuesta de pigmentos. Lisosomas: hacen la digestión, ya que contienen enzimas digestivas. Se forman a partir del aparato de Golgi.
Los encargados de la transformación de energía:
-
Mitocondrias: se encargan de la respiración celular y la producción de ATP.
-
Cloroplastos: sólo en los vegetales.
Los componentes químicos de la célula se dividen en:
A) Componentes inespecíficos (aparecen en todos los seres vivos), se subdividen en: * Inorgánicos: - Agua (compone del 75 al 85% de la célula): es importante para la actividad metabólica, interviene en la eliminación de sustancias de la célula. Se encuentra libre, o ligada a otras moléculas. - Sales minerales (componen el 3% de la célula): son importantes para mantener la presión osmótica y el equilibrio ácido-base de la célula, entre otras funciones. * Orgánicos: - Ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico). - Hidratos de carbono: compuestos energéticos. - Lípidos: reserva de energía. - Proteínas: función estructural. B) Componentes característicos (aparecen sólo en algunos seres vivos, como en el hombre). Por ej: - Enzimas: proteínas catalizadoras que actúan sobre sustratos. - Hormonas: mensajeros químicos. Son producidos por las glándulas endocrinas.
Los ácidos nucleicos. Son las moléculas portadoras del mensaje genético en todos los organismos. Se trata de moléculas complejas o macromoléculas formadas por la unión de nucleótidos. Están formados por: un grupo fosfato + pentosa (desoxirribosa o ribosa) + una base nitrogenada (pirimidinas: timina, citosina y uracilo; o purinas: adenina y guanina). La molécula de un nucleótido es un polímero, cuyos monómeros están ligados por uniones fosfodiéster: en esas uniones los fosfatos ligan el carbono 3’ de la pentosa de un nucleótido, con el carbono 5’ de la pentosa del nucleótido siguiente. Hay dos tipos de ácidos nucleicos:
ADN (ácido desoxirribonucleico). Es el depósito de información genética, que luego es transcripta a las moléculas de ARN mensajero. El ADN está en el núcleo de la célula, integrado por cromosomas. En menor medida se encuentra en el citoplasma (dentro de las mitocondrias y los cloroplastos).
Su composición química es: Pentosa: desoxirribosa. + Bases: purinas (adenina y guanina) y pirimidinas (citosina y timina). + Ácido fosfórico: PO4 H3. } Formando dos cadenas de nucleótidos, que forman una doble hélice. Las dos cadenas que conforman la molécula de ADN son antiparalelas, es decir, las uniones 3’-5’-diester se dan en sentido contrario. Ambas cadenas se hallan unidas entre sí por puentes de hidrógeno establecidos entre los pares de bases. Los únicos pares posibles son: -
Adenina-timina; timina-adenina: entre ellas se forman dos puentes de hidrógeno.
-
Citosina-guanina; guanina-citosina: entre ellas se forma un puente de hidrógeno.
La información genética está codificada y constituye el código genético: es universal, toda la información genética de un organismo vivo se encuentra acumulada en la secuencia lineal de las cuatro bases de sus ácidos nucleicos: ése es el código genético AT/GC. Cuando la célula se divide, se separan las dos cadenas del ADN y cada una se replica para dar lugar a la cadena complementaria. Las enzimas despolimerazas son las encargadas de romper la unión de las cadenas, dejando libres las bases nitrogenadas. Por acción de las enzimas polimerazas se crean dos nuevas moléculas hijas con la misma información genética que la molécula madre.
ARN (ácido ribonucleico) Se encuentra en el núcleo (donde se forma) y en mayor medida en el citoplasma (donde dirige la síntesis de proteínas). Su composición química es: Pentosa: ribosa + Bases: purinas (adenina y guanina) y pirimidinas (citosina y uracilo) + Ácido fosfórico: PO4 H3.} Formando una sola cadena de nucleótidos. Existen tres tipos de ARN, según la función que cumplen en la síntesis proteica: ARN mensajero: lleva información genética (copiada del ADN), que establecerá la secuencia de aminoácidos de la proteína. ARN ribosómico: representa el 50% de la masa ribosómica. El ribosoma proporciona el sostén molecular para las reacciones químicas que dan lugar a la síntesis proteica. -
ARN de transferencia: identifica y transporta a los aminoácidos hasta el ribosoma.
Diferencias entre el ADN y el ARN:
ADN - Se encuentra principalmente en el núcleo (también en las mitocondrias y los cloroplastos).
- Contiene la información genética. (forma los genes) - Pentosa: desoxirribosa. - Bases: adenina y guanina (purinas), citosina y timina (pirimidinas). - Doble hélice. - Surge de la autoduplicación semiconservativa. ARN - Se encuentra principalmente en el citoplasma (también en el núcleo, en menor cantidad). - Se encarga de la síntesis de proteínas. - Pentosa: ribosa. - Bases: adenina y guanina (purinas), citosina y uracilo (pirimidinas). - Una hélice. - Surge a partir de una molécula de ADN.
Hidratos de carbono. Están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los glúcidos son carbohidratos. Tienen: -
Importancia biológica: son la fuente de energía y la fuente de carbono.
Importancia estructural: en los vegetales, no tanto en los animales. Los vegetales tienen una pared celular formada por celulosa (componente glúcido). En algunos animales también es estructural: el exoesqueleto de los insectos está formado por quitina (un glúcido). Importancia energética: almacena energía en forma de glucógeno (que es un polímero de glucosa). Éste se almacena en el hígado y en los músculos. La glucosa proporciona a la célula energía, que es utilizada por las neuronas. La insulina, producido por el páncreas, regula la glucosa en la sangre. La respiración celular no es más que la degradación de la glucosa para liberar energía en forma de ATP. Los glúcidos se clasifican según su poder reductor en reductores y no reductores, y según su estructura (según la cantidad de monómeros que contienen) en: Monosacáridos: azúcares simples, se clasifican en triosas, tetrosas, pentosas y hexosas. El más conocido y abundante es la glucosa, que es una hexosa.
Disacáridos: azúcares formados por la combinación de dos monómeros de hexosa. Ej.: Lactosa, sacarosa. Oligosacáridos: son cadenas compuestas por distintas combinaciones de monosacáridos. En el organismo están unidos a lípidos y proteínas (glicolípidos y glicoproteínas). Polisacáridos: compuestos por la combinación de muchos monómeros de hexosas. Al hidrolizarse, dan lugar a monosacáridos. Ej.: almidón, glicógeno, celulosa. Puede cumplir una función de reserva de energía o una función estructural (en los vegetales). Existen polisacáridos llamados glicosaminoglicanos (GAG), que se encuentran ligados a proteínas, y están compuestos por una sucesión de una misma unidad disacárido, en la que uno de los dos monómeros es un ácido glucurónico o una galactosa, y el otro posee un grupo amino. Ej.: dermatasulfato.
Lípidos. Son moléculas insolubles en agua y solubles en los solventes orgánicos. Poseen anillos bencénicos (estructuras hidrofóbicas). Los lípidos más comunes en la célula son: Triglicéridos (triacilgliceroles): son triésteres de ácidos grasos con glicerol. Sirven como reserva de energía para el organismo, ya que sus ácidos grasos liberan gran cantidad de energía cuando son oxidados. Dichos ácidos grasos están formados por una larga cadena hidrocarbonada. Fosfolípidos: son los principales componentes de las membranas celulares. Hay dos clases de ellos: los glicerofosfolípidos, formados por dos ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol; y los esfingofosfolípidos, generados por la combinación de la fosforilcolina con la ceramida. Glicolípidos: se clasifican en cerebrósidos (glucosa o galactosa + ceramida) y gangliósidos (oligosacárido con ácidos siálicos + ceramida). Esteroides: derivan del ciclopentanoperhidrofenantreno. Los principales son las hormonas sexuales, las hormonas suprarrenales, la vitamina D y los ácidos biliares. Poliprenoides: derivan del hidrocarbunoisopreno. Ej.: dolicol fosfato (molécula perteneciente a la membrana del retículo endoplasmático).
Proteínas. Compuestas por aminoácidos (ácidos orgánicos), que pueden ser: ácidos, básicos, neutro polares o neutro no polares. La combinación de aminoácidos para formar una proteína se da de una manera tal que el grupo amino (NH2) de un aminoácido se combina con el grupo carboxilo (COOH) del siguiente, con pérdida de una molécula de agua. La combinación - NH – CO- se llama unión peptídica.
Los péptidos son un componente de las proteínas, y están formados por aminoácidos. Según la cantidad de aminoácidos que los componen pueden ser: péptido, oligopéptido o polipéptido. Las proteínas son esenciales para la vida porque tienen funciones estructurales y enzimáticas, y están en cada célula y en cada organoide. Existen proteínas conjugadas: unidas a porciones no proteicas, como por ejemplo las glucoproteínas, las nucleoproteínas, las lipoproteínas, etc. En las proteínas existen cuatro niveles de organización estructural (sucesivos): 1) Estructura primaria: comprende la secuencia de aminoácidos que forman la cadena proteica, que determina los demás niveles. 2) Estructura secundaria: configuración espacial de las proteínas, según la posición de determinados aminoácidos en su cadena. Así, algunas proteínas tienen forma de hélice y otras formas de hoja plegada. 3) Estructura terciaria: consecuencia de la formación de nuevos plegamientos en las estructuras secundarias, lo que da lugar a la configuración tridimensional de la proteína. Según el plegamiento que adoptan, se generan proteínas fibrosas (con estructura de hélice) y proteínas globulares (con estructuras de hélice o de hoja plegada). 4) Estructura cuaternaria: resulta de la combinación de dos o más polipéptidos, lo que origina moléculas muy complejas. La disposición espacial de una proteína se halla predeterminada por la estructura primaria. Los restantes niveles dependen de distintas uniones químicas entre los átomos de los aminoácidos. Se producen uniones covalentes (se rompen por la intervención de enzimas) y uniones no covalentes (se rompen por fuerzas físico-químicas). Ejemplos de estas últimas pueden ser: puentes de hidrógeno, uniones iónicas o electroestáticas, interacciones hidrofóbicas, interacciones de Van der Waals, etc. Las enzimas son proteínas que realizan la síntesis y degradación de un gran número de sustancias. Son catalizadores biológicos, es decir, aceleran las reacciones químicas sin modificarse. Los distintos tipos de enzimas pueden formar uniones covalentes (síntesis) o romperlas (degradación). Estas enzimas tienen “sitios activos” a los cuales se unen las sustancias sobre las que actúan (los sustratos) que tienen un “encaje inducido”. Cada clase de enzima actúa sobre un solo sustrato (especificidad), y lleva el nombre del sustrato que modifica o el de la actividad que ejerce, más el sufijo – asa.
Las reacciones enzimáticas se dan en dos etapas: 1º unión enzima-sustrato; 2º enzima-sustrato se desdobla en producto y enzima. Las enzimas pueden ser inhibidas de dos maneras: -
Irreversiblemente: desnaturalización de la enzima, o su unión con otra molécula.
-
Reversiblemente: de forma competitiva o no competitiva.
Replicación del ADN. Cada una de las moléculas de ADN debe generar otra molécula de ADN idéntica, para que se reparta en las células hijas, y así éstas tengan la misma información genética. Esta replicación tiene tres propiedades características: Es semiconservativa: esto es así porque las moléculas hijas que surgen de la replicación del ADN están compuestas por una cadena heredada del progenitor, y una recién sintetizada. Es bidireccional: porque las dos cadenas de ADN se sintetizan en direcciones opuestas y las dos horquillas de replicación avanzan en direcciones divergentes. Es asimétrica: ya que una misma cadena se replica en forma continua de un lado de la burbuja y de forma discontinua del otro lado. La replicación del ADN presenta similitudes con la transcripción del ADN. Ambas difieren en que en la replicación no queda ningún sector sin duplicar, en tanto que en la transcripción (síntesis del ARN) sólo se transcribe por sectores que corresponden a genes activos. En la replicación se utilizan las dos cadenas como moldes, lo que significa la exigencia de un número mayor de enzima; en la transcripción el ARN copia una sola de las dos cadenas del ADN. La replicación sucede de la siguiente manera: El ADN se sintetiza en dirección 5’ à 3’ y utiliza como molde la cadena de ADN preexistente. Las ADN polimerasas agregan sucesivos nucleótidos en el extremo 3’ de la cadena en crecimiento. Además, esas moléculas catalizan las uniones fosfodiéster que se producen entre el oxidrilo del carbono 3’ de la desoxirribosa de un nucleótido y el fosfato ligado al carbono 5’ del nucleótido recién arribado. La disposición de la cromatina organiza al ADN sectorialmente, donde cada lazo representa una unidad de replicación : el ADN se sintetiza en esos sectores. Los lazos son de distinta longitud y provienen de un eje que está constituido por proteínas no histónicas. Esa disposición del ADN en unidades de replicación no supone una ruptura en la continuidad de la molécula, ya que el ADN no se interrumpe: es una molécula unitaria. El ADN tarda aproximadamente 7hs. en duplicarse. Esto se debe a que a lo largo de cada cromosoma aparecen en el ADN múltiples orígenes de replicación (entre 20 y 80 por cada unidad de replicación). El ADN en los orígenes de replicación se halla asociado a un complejo de seis proteínas denominado ORC. Al comienzo de la FASE S el ORC recluta
otras proteínas para formas un complejo menor, el Pre-RC, que cataliza el inicio de la replicación. Además, el ORC impide que el ADN se reduplique en la FASE G2. Dichos orígenes de replicación surgen al separarse las dos cadenas del ADN; contienen tramos de ADN especiales y todos poseen una secuencia común llamada ARS. Cuando en un origen de replicación se abre la doble hélice del ADN, se forma la burbuja de replicación, cuyo tamaño aumenta a medida que avanza la separación de ambas cadenas hacia los extremos de la burbuja. En cada extremo se forma, entonces, una horquilla de replicación. Las dos horquillas avanzan en direcciones opuestas y desaparecen cuando colisionan con sus similares de las burbujas contiguas. El segmento de ADN que se sintetiza a partir de un origen de replicación se llama replicón. La replicación concluye cuando se conectan entre sí todos los replicones. El hecho de que las cadenas de ADN sean antiparalelas, presenta dificultades para la replicación. Por ello, ambas cadenas se fabrican de manera diferente:
El tramo de cadena hija que crece en dirección 5’ à 3’ (cuyo molde es la cadena progenitora 3’ à 5’) se construye mediante el agregado continuo de nucleótidos en su extremo 3’ a medida que se desplaza la horquilla.
Síntesis de la cadena continua: para iniciarla, la ADN polimerasa necesita además de una cadena 3’ à 5’ de molde, un extremo 3’ libre, para poder colocar el primer desoxirribonucleótido. Ese extremo lo provee un cebador (ARN de diez nucleótidos). La formación del cebador es catalizada por la ADN primasa, que genera un ARN corto que queda unido al ADN copiado. Una vez formado el cebador, la síntesis del ADN se produce por acción de la ADN polimerasa y la provisión de desoxirribonucleótidos, que se agregan secuencialmente en el extremo 3’ de la cadena en crecimiento, siguiendo el orden marcado por la cadena molde. Al iniciarse la síntesis continua de ADN, en cada origen se forman dos cebadores divergentes, uno en cada cadena de la doble hélice. Luego de ello, la ADN polimerasa agrega un desoxirribonucleótido en el extremo 3’ de la cadena en crecimiento. Cuando la horquilla arriba al extremo del replicón, la cadena continua toma contacto con la cadena discontinua del replicón vecino, y la ADN ligasa une el extremo 3’ de la primera con el extremo 5’ de la segunda. Donde se iniciará la síntesis de la cadena continua, el cebador es removido por una nucleasa reparadora y reemplazado por una pieza equivalente de ADN generada con la ayuda de otra ADN polimerasa. Finalmente, esa pieza de ADN se conecta con el resto de la cadena continua, mediante la ADN ligasa. Las ADN polimerasas permanecen unidad al ADN por la abrazadera deslizante, que los mantiene unidos hasta que las polimerasas se detienen y desprenden del ADN.
La otra cadena (que usa como molde la cadena progenitora 5’ à 3’) para poder crecer, debe hacerlo en forma contraria al avance de la horquilla. Se fabrica de manera discontinua: construye pequeños tramos de ADN llamados Fragmentos de Okazaki , que se ligan entre sí.
Síntesis de la cadena discontinua: requiere de múltiples cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. La enzima responsable de la síntesis de los fragmentos de Okazaki es una ADN polimerasa. Ésta coloca el primer desoxirribonucleótido junto al extremo 3’ del cebador del fragmento de Okazaki, lo liga a él y agrega los sucesivos desoxirribonucleótidos en el extremo 3’ del fragmento en crecimiento. A medida que avanza la horquilla de replicación, se acorta el ADN molde y se alarga la doble hélice que resulta de la síntesis del fragmento de Okazaki. Se crea un segundo ADN molde , el del fragmento de Okazaki que se sintetizará en el próximo ciclo. Los ADN moldes (el que se acorta y el que se alarga) están asociados a múltiples unidades de una proteína llamada SSB, cuya función es mantener relativamente rectos a esos ADN simples para evitar que se apareen las bases complementarias de sus propias cadenas, lo cual impediría la labor de la ADN polimerasa. En este caso, la abrazadera deslizante se desarma apenas el fragmento de Okazaki termina de sintetizarse. Luego, el fragmento y el ADN molde quedan situados en el lado opuesto de la ADN polimerasa. Esto crea las condiciones para la creación de un nuevo fragmento de Okazaki, para lo cual se rearma la abrazadera deslizante.
La separación del ADN es producida por la helicasa, que corta los puentes de hidrógeno, tomando energía del ATP. Para que la acción de la enzima no sea frenada, es necesario evitar el superenrollamiento, con un desenrollamiento equivalente. Ese desenrollamiento es producido por dos enzimas específicas: La topoisomerasa I: corta una de las cadenas de la doble hélice; la cadena cortada gira en torno de su propio eje, y los extremos cortados se vuelven a unir. Existen varias topoisomerasas I en cada lazo, ya que actúan sobre las burbujas de replicación. La girasa (o topoisomerasa II): corta las dos cadenas de ADN, las cuales reestablecen sus uniones después de haber girado. Además, la girasa es una de las proteínas que forma el andamio proteico en el que se sostienen los lazos de cromatina, se asocia con el ADN del lazo, colocándose cerca de los extremos. La topoisomerasa I y la girasa se diferencian por la magnitud de sus efectos, ya que el desenrollamiento de la topoisomerasa I es de corto alcance, y el de la girasa abarca una extensión de ADN mayor. Durante la transcripción del ADN se produce un superenrollamiento similar al que se produce en la replicación ese superenrollamiento de la transcripción es aliviado sólo por la topoisomerasa I.
Mutación del ADN.
Cuando las alteraciones afectaran cariotipo, se denominan aberraciones cromosómicas. Y pueden ser estructurales (se hallan afectadas partes extensas del cromosoma) o numéricas (el cariotipo exhibe un número mayor o menos de cromosomas que el normal). Cuando las alteraciones del genoma involucran a uno o unos pocos nucleótidos, se llaman mutaciones genéticas. Estas mutaciones son más comunes, y pueden ser por la sustitución de un nucleótido, la perdida de uno o varios nucleótidos o la inserción de uno o varios nucleótidos; y generan cambios en la información contenida, que llega a la producción de una proteína distinta de la esperada o a la ausencia de esa producción. Las mutaciones pueden producirse en las células somáticas (afectan al fenotipo, no pasa a la descendencia) o las células germinativas (pueden transmitirse a la descendencia y heredarse de generación en generación). Dan lugar a malformaciones congénitas anatómicas, alteraciones funcionales, trastornos metabólicos, etc. La mayor parte de las mutaciones se produce durante la replicación del ADN, aunque el organismo tiene mecanismos de reparación para ellas. Existen mutaciones espontáneas ajenas a la replicación: a) Como consecuencia de la desaminación de las bases de los nucleótidos, dada la facilidad con la que pierden sus grupos amino. b) Por la apurinización, es decir, cuando una base se desprende de la desoxirribosa del nucleótido. Por lo tanto, en esos puntos, los genes carecen de información. c) etc.
Por agentes ambientales: los químicos, las radiaciones ionizantes, algunos virus,
Reparación del ADN. Para cada tipo de alteración de ADN existe un mecanismo de reparación especial: Si la ADN polimerasa inserta accidentalmente un nucleótido incorrecto, “percibe” el error y no agrega nuevos nucleótidos (el crecimiento de la cadena se detiene). El error es resuelto por la misma encima, mediante la “ lectura de pruebas”. Así, ante la presencia de un nucleótido incorrecto, la ADN polimerasa retrocede y lo elimina. Si ésta falla, se lleva a cabo el siguiente punto. El o los nucleótidos son removidos por una nucleasa reparadora (la misma que remueve los cebadores en la síntesis continua y discontinua de ADN). Para ello, la nucleasa corta la unión fosfodiéster que conecta al nucleótido incorrecto con el nucleótido contiguo. Las desaminaciones y las apurinizacones se reparan con las mismas enzimas: usan la ADN glicosidasa específica, que reconoce y recorta la conexión entre la base errónea y la desoxirribosa, que consecuentemente, se queda sin base.
Los transposones (segmentos de ADN transponibles) son extraídos de un lugar del genoma e insertados en otro. Durante ese proceso, la transposasa efectúa cortes espaciados, inserta el transposón y realiza las reparaciones necesarias en el ADN.
Cromosomas. Un cromosoma es el depósito de ADN, y está formado por: Un centrómero: es el sector por el que las cromátidas hermanas se unen entre sí a través de cohesinas; es el lugar donde los microtúbulos del huso se conectan con los cromosomas. Está compuesto por un ADN repetitivo, conteniendo los genes de las proteínas cinetocóricas. Un cinetocoro: su cara externa es convexa, y su cara interna es plana. Esta última es la que está en contacto con la cromatina del centrómero. -
Cromátidas hermanas.
-
Telómeros (extremos de los cromosomas)
-
Bandas, que corresponden a la localización de distintos genes del ADN.
Según la ubicación del centrómero, los cromosomas se clasifican en:
Metacéntricos: el centrómero está en el medio. Submetacéntricos: un brazo es más corto que el otro. Acrocéntrico: uno de los brazos casi desaparece. Telocéntrico: desaparición de uno de los brazos. Este tipo de cromosomas no existe en los seres humanos.
El cariotipo es el conjunto de cromosomas de una célula. En los seres humanos, el cariotipo posee 46 cromosomas, aunque puede presentar aberraciones o mutaciones.
Mitosis. Las células atraviesan un ciclo celular, el cual está divido en cuatro fases sucesivas: - FASE G1: En los casos de aquellas células que no se dividen, adopta el nombre de G0 (las células se retiran del ciclo celular). La fase G1 es la más variable del ciclo, puede durar horas, días, meses y hasta toda la vida. Durante esta fase se activa la síntesis proteica, se duplican los organoides, se forman los distintos tipos de ARN, los cromosomas tiene una sola cromátida. - FASE S: en esta etapa se produce la síntesis de ADN. Se produce la autoduplicación, precedida por la duplicación del centríolo. Se duplica la cromátida, por eso el cromosoma está compuesto por dos cromátidas hermanas unidas por un centríolo.
- FASE G2: es el tiempo que transcurre entre el final de la síntesis de ADN y la mitosis (FASE M). durante esta etapa continúa la síntesis de moléculas orgánicas. Es un proceso que prepara a la célula para la mitosis. Al ir finalizando esta fase, se va desintegrando la membrana nuclear, cuyas partes van a formar parte del retículo endoplasmático rugoso. Las fases G1, S y G2 son la interfase del ciclo celular. -
FASE M: es la fase de división celular.
FASE M (Mitosis). Entre los procesos que tiene lugar en el citoplasma se destaca la formación del huso mitótico, que es un armazón estructural que controla la posición de los cromosomas y su reparto entre las células hijas. Se organiza antes de la división y finaliza cuando ésta termina. Como consecuencia de la mitosis se produce la partición del citoplasma ( citocinesis) y su distribución equitativa en las células hijas. Las etapas en que se divide la mitosis son: 1) PROFASE: durante esta fase las cromátidas hermanas se condensan y la célula adopta una forma esférica. Se detectan los cromosomas como filamentos delgados. A medida que avanza la profase las cromátidas se hacen más cortas y gruesas, y los centrómeros se vuelven visibles, por la asociación de dos cinetocoros. Durante esta fase los cromosomas se aproximan a la carioteca, dejando un espacio vacío en el centro del núcleo. También el nucleolo reduce su tamaño hasta desaparecer. Se desintegra el citoesqueleto, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi se fragmentan en vesículas pequeñas y se forma el huso mitótico, compuesto por microtúbulos que surgen de ambos centrosomas. Al finalizar la profase, la lamina nuclear se desarma, la carioteca se desintegra en vesículas y los complejos del poro quedan ligados a ella. 2) PROMETAFASE: se desintegra la carioteca y los cromosomas quedan en aparente desorden. Los centrosomas arriban a los polos de la célula y las fibras del huso invaden el área que ocupada el núcleo. Se presentan tres tipos de fibras: fibras cinetocóricas (fibras del huso+cinetocoros), fibras polares y fibras del áster (surgidas de los centrosomas). 3) METAFASE: los cromosomas se colocan en el plano ecuatorial de la célula. 4) ANAFASE: se produce la partición de las cohesinas de los centrómeros. Las cromátidas o cromosomas hijos se separan y comienzan a migrar hacia los polos, traccionados por las fibras cinetocóricas del huso. Los cromosomas adoptan la forma de una V. En este proceso, los microtúbulos de las fibras cinetocóricas se acortan progresivamente, y aumenta la longitud de las fibras polares, debido al mutuo distanciamiento de los polos de la célula, que adquiere un aspecto ovoide. Se produce el inicio de la citocinesis (partición del citoplasma). En la citocinesis las fibras del áster y las polares se reducen hasta desaparecer. Sólo sobreviven los tramos de fibras que forman el cuerpo intermedio. Finalmente, se reestablece el
citoesqueleto, quien dirige a los componentes de la célula (los componentes citoplasmáticos) en su distribución en las células hijas como estaban en la célula madre. 5) TELOFASE: es una “ recapitulación” de lo sucedido en la profase, pero en sentido inverso. Los cromosomas comienzan a desenrollarse y se muestran cada vez menos condensados. Simultáneamente son rodeados por las vesículas (en las que se desintegró el retículo endoplasmático en la profase), las cuales se desintegran hasta formar las envolturas nucleares definitivas en torno a los dos núcleos hijos. Reaparecen los nucleolos.
En el citosol (matriz citoplasmática) existe una abundante cantidad de tubulinas que están en equilibrio dinámico con las tubulinas de los microtúbulos. Cuando la célula comienza la profase, se despolimerizan los microtúbulos interfásicos y se construyen los del huso mitótico. En la anafase se despolimerizan las fibras cinetocóricas; mientras que en la telofase, se despolimerizan las fibras de áster y las fibras polares. Antes de completarse la citocinesis, comienzan a reaparecer los microtúbulos interfásicos. Los microtúbulos son capaces de generas fuerzas mecánicas de empuje (por alargamiento) y fuerzas de tracción (por acortamiento) sobre los cinetocoros y sobre los cromosomas: -
En la profase, los centrosomas son empujados por un alargamiento de los microtúbulos.
- En la metafase se una un alargamiento y un acortamiento simultáneos, que produce un equilibrio de los cromosomas. - En la anafase, se rompe ese equilibrio: se rompen los centrómeros, se separan las cromátidas hijas y nuevos cromosomas se dirigen hacia los polos. Los cromosomas adoptan una forma de V como consecuencia de la transmisión de fuerzas de tracción a los cinetocoros. Existen dos formas de explicar la migración de los cromosomas durante la anafase:
La teoría del equilibrio dinámico: la despolimerización de los microtúbulos es responsable del traslado. La teoría del deslizamiento: los microtúbulos se comportan como “rieles” sobre los cuales los cromosomas se desplazan.
El traslado de los cromosomas incluye dos procesos distintos, es por eso que la anafase se divide en: 1) Anafase A: el traslado de los cromosomas hacia los polos corresponde a los movimientos vinculados con los microtúbulos cinetocóricos. 2) Anafase B: el mutuo alejamiento de los dos conjuntos cromosómicos se produce a consecuencia del alargamiento que experimenta la célula, vinculado al crecimiento de los microtúbulos de las células polares.
La síntesis de ARN o transcripción de ADN se detiene en la mitosis, ya que el ADN se halla compactado. Por otro lado, la síntesis proteica disminuye drásticamente durante la mitosis. Ambas síntesis comienzan a recuperarse a partir de la telofase. La citocinesis deriva de la formación del surco ecuatorial que se profundiza hasta alcanzar el cuerpo intermedio, lo que indica que la partición del citoplasma está por concluir. * El cuerpo intermedio está formado por fibras polares, vesículas y material denso. * El surco ecuatorial es el resultado de la formación de un anillo contráctil en la corteza de la célula.
Control del ciclo celular. Para poder reproducirse, la célula primero divide el contenido de su núcleo y su citoplasma, y luego los divide en las células hijas. 1º El ADN y las moléculas que lo acompañan se duplican en la fase S. 2º Los componentes citoplasmáticos lo hacen durante las fases G1, S y G2. En el control de las divisiones celulares intervienen dos tipos de moléculas: La ciclinas: en el curso de cada ciclo celular alteran un período de síntesis creciente seguido por otro de rápida degradación. Las más importantes son la ciclina G1 y la ciclina M. Las quinasas dependientes de ciclinas: al interactuar con las ciclinas fosforilan y activan a las moléculas responsables de la división celular. Las más importantes son Cdk2 y Cdc2. La célula ingresa en la fase S y comienza a replicar su ADN. Ello sucede cando la ciclina G1 activa a la quinasa Cdk2, iniciando una cadena que termina con la activación de las moléculas responsables de la replicación del ADN. La ciclina G1 + la Cdk2 forman un complejo proteico llamado SPF, que induce la apertura de los orígenes de replicación y activa a las moléculas involucradas en la síntesis de ADN, como las ADN polimerasas, la helicasa, etc. Este complejo se desintegra al finalizar la fase S. La ciclina G1 es la única cuya concentración varía. Comienza a sintetizarse a partir del punto de arranque, se incrementa durante la fase S, en un momento dado comienza a declinar y desaparece en la fase G2. El mecanismo que desencadena la fase M o mitosis es similar al que desencadena la fase S, aunque en la mitosis intervienen la Cdc2 y la ciclina M. Esta última comienza a sintetizarse a partir de la fase G2. La ciclina M + la Cdc2 forman un complejo proteico llamado MPF, que se disocia al comenzar la anafase.
Activada la ciclina M, la Cdc2 fosforila diversas proteínas citosólicas y nucleares. Algunas consecuencias de estas fosforilaciones son: -
La célula pierde contacto con las células vecinas y se vuelve esférica.
-
Se desarman los microtúbulos interfásicos, y se forman los del huso mitótico.
-
Se desintegra la lámina nuclear y con ella, la carioteca.
-
Aumenta el enrollamiento de la cromatina y la compactación del cromosoma.
Estos fenómenos se revierten cuando termina la división celular. La mitosis depende de sustancias inductoras provenientes del exterior. Estas sustancias actúan en el punto de arranque y el cambio que provocan en el receptor promueve la síntesis de la ciclina G1. La secreción de sustancias inductoras es regulada por mecanismos que tienden a mantener un número adecuado y más o menos constante de células de cada uno de los tipos celulares.
La proteína citoplasmática P53 es sintetizada por la propia célula en respuesta a la aparición de alteraciones en su ADN. Si el organismo está dañado, la P53 elimina la célula y hace desaparecer el ADN dañado. Dos clases de genes ligados al cáncer: - Los protooncogenes: su alteración produce un incremento de la proliferación celular. Son genes normales que codifican proteínas implicadas en el control de la proliferación y de la muerte celular. Los productos de los protooncogenes promueven el crecimiento celular. Los oncogenes generan cantidades excesivas de sus productos o su transcripción origina productos aberrantes. Estos oncogenes son las versiones defectuosas de los protooncogenes y pueden aumentar la proliferación celular o disminuir la muerte celular. - Los genes supresores de tumores: su falla lleva a la pérdida de mecanismos normales que detienen la proliferación. Sus productos inhiben la reproducción excesiva de células. Este tipo de genes son recesivos y el defecto se manifiesta cuando se alteran los dos alelos del gen. Un ejemplo es la proteína P53.
Diferencias entre mitosis y meiosis. MITOSIS - Tiene lugar en las células somáticas.
- Las células hijas presentan la misma cantidad de ADN que la célula madre y un número diploide de cromosomas. - Se produce una división celular. - La síntesis de ADN se produce durante la fase S, seguida de la fase G2. - Cada cromosoma evoluciona en forma independiente. - La duración de la mitosis es corta. - El material genético permanece constante en las sucesivas generaciones de células hijas. MEIOSIS - Tiene lugar en las células sexuales. - Resultan cuatro células hijas que contienen la mitad de ADN y un número haploide de cromosomas. - Se produce dos divisiones celulares. - La fase S es más larga y la fase G2 es corta o falta. - Durante la primera división, los cromosomas homólogos se relacionan entre sí (se aparean) e intercambian partes de sus moléculas (se recombinan). - La duración de la meiosis es larga. - Genera una gran variabilidad genética.
Meiosis. La meiosis ocurre en los organismos que se reproducen sexualmente, por medio de gametos o células sexuales. Los gametos son los espermatozoides y los ovarios, que se unen por fecundación, dando origen al cigoto, que luego se reproduce por mitosis. El genoma humano está compuesto por 44 cromosomas + el par XY en el varón; y 44 cromosomas + el par XX en la mujer. En la meiosis se produce: -
La reducción del número de cromosomas a la mitad (gametos haploides).
-
La recombinación genética.
-
La segregación de cromosomas homólogos paternos y maternos.
Los cromosomas homólogos son dos cromosomas virtualmente idénticos (uno paterno y el otro materno) que conviven en las células diploides. Las divisiones meióticas se dan luego de varias divisiones mitóticas de las células germinativas. Al término de las divisiones mitóticas, esas células se diferencian en espermatocitos I y ovocitos I, los cuales llevan a cabo la meiosis I. Como consecuencia de la primera división, se generan los espermatocitos II y el ovocito II, que realizan la meiosis II. Finalmente, la segunda división meiótica culmina con la formación de los espermatozoides y el óvulo. La MEIOSIS I se distingue de la meiosis II porque su profase es muy larga, y en el transcurso los cromosomas homólogos se aparean y recombinan para intercambiar material genético. Las etapas de la meiosis I son: 1) Profase I: se subdivide en: 1. Preleptonema: los cromosomas son muy delgados. 2. Leptonema: el núcleo aumenta de tamaño y los cromosomas se tornan visibles. Las asas de cromatina tiene una disposición laxa en el eje del cromosoma. 3. Cigonema: los cromosomas homólogos se alinean entre sí mediante apareamiento o sinapsis. El apareamiento comprende la formación del complejo sináptonémico (CS), que es como un armazón proteico que tiene como función estabilizar el apareamiento de los homólogos y facilitar su recombinación. El apareamiento es muy exacto y específico, pues se produce punto por punto entre los homólogos. Los cromosomas son separados por una distancia que es ocupada por el complejo sináptonémico. Este complejo está integrado por dos laterales (sobre ellos se apoyan loas dos cromátidas hermanas de uno de los cromosomas homólogos) y un componente central (aparece durante la cigonema). A medida que la cromatina se condensa, las asas aparecen cada vez más juntas al lado de los componentes laterales del complejo sináptonémico (CS). En los cromosomas meióticos existe un armazón de proteínas no histónicas para sostener a las asas de cromatina. La fijación de los telómeros a la envoltura nuclear ordena los cromosomas, lo que favorece el alineamiento de los homólogos. Los extremos de los CS también se insertan en la envoltura nuclear, en las placas de fijación. 4. Paquinema: es un proceso relativamente prolongado. Los cromosomas se acortan y el apareamiento de los cromosomas homólogos se completa. Se produce el intercambio de segmentos de ADN entre las cromátidas hermanas à recombinación genética: se producen cortes en las cromátidas seguidos por el cruce y el empalme de los segmentos que se intercambian. Cada uno de los 23 pares de cromosomas recibe el nombre de bivalente. Y como cada conjunto está integrado por cuatro cromátidas, se lo llama también tétrada. Las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma se hallan conectadas por el centrómero, por lo que en un bivalente o tétrada hay dos centrómeros, y cada uno de ellos tiene dos cinetocoros. A lo largo del bivalente, en el CS aparece una sucesión de nódulos de recombinación (su cantidad y ubicación coincide con los sitios de recombinación genética) que son complejos
multiproteicos que reúnen a las cromátidas paternas y maternas y producen los cortes y empalmes necesarios para la recombinación. 1. Diplonema: los cromosomas homólogos comienzan a separarse y el CS se desintegra. La separación no es completa, ya que las cromátidas homólogas permanecen conectadas en los puntos donde ha tenido lugar el intercambio. Tales conexione (quiasmas) expresan la etapa final de la recombinación. 2. Diacinesis: la condensación de los cromosomas vuelve a acentuarse. Las tétradas se distribuyen por todo el núcleo y desaparece el nucleolo. 2) Prometafase I: la condensación de los cromosomas alcanza su grado máximo. La carioteca desaparece y los microtúbulos del huso se conectan con los cinetocoros. 3) Metafase I: los bivalentes se disponen en el plano ecuatorial de la célula. 4) Anafase I: los cinetocoros opuestos son traccionados hacia los respectivos polos, de modo que los homólogos de cada bivalente se separan entre sí y se movilizan en direcciones opuestas. Al separarse por completo los cromosomas homólogos , en las células hijas las dos cromátidas de cada cromosoma son mixtas (con segmentos cromosómicos paternos y maternos). 5) Telofase I: los grupos cromosómicos haploides llegan a sus respectivos polos y en torno de ellos se construyen las envolturas nucleares. Los resultados de la meiosis I son: - En el hombre: los espermatocitos II. - En la mujer: el ovocito II y el primer cuerpo polar (que desaparece).
En la INTERFASE se produce la partición del citoplasma. No hay replicación del ADN (no hay fase S).
La MEIOSIS II se subdivide en: 1) Profase II: se produce la reaparición de las fibras del huso y la desaparición de la envoltura nuclear. 2) Metafase II: los cromosomas se dirigen al plano ecuatorial de la célula. Las fibras del huso se conectan con los cinetocoros. 3) Anafase II: el centrómero se divide y las cromátidas hermanas de cada cromosoma son separadas y traccionadas hacia los polos opuestos de la célula. 4) Telofase II: cada uno de los polos de la célula recibe un juego haploide de cromátidas, que pasan a llamarse cromosomas. La formación de la envoltura nuclear en torno a cada
conjunto cromosómico haploide, seguida por la partición del citoplasma, pone fin a la meiosis. Los resultados de la meiosis II son: -
En el hombre: cuatro espermatozoides.
-
En la mujer: un óvulo y un cuerpo polar (que desaparece).
De la recombinación y la segregación al azar se produce la variabilidad genética. La no disyunción es cuando falla la segregación y los dos homólogos de un par no se separan y pasan juntos a las células hijas. Por esto, uno de los gametos contendrá un cromosoma de más y el otro uno de menos. Si uno de estos gametos participa en la fecundación, las células somáticas del nuevo individuo poseerán un número anormal de cromosomas: aberración cromosómica numérica.
La meiosis en la mujer ( ovogénesis): los ovogonios pasan a ser ovocitos I en el séptimo mes de la vida pre-natal y permanecen así hasta la pubertad. A partir de la pubertad, en cada ciclo menstrual varios ovocitos I reanudan la meiosis I, pero ésta sólo se completa en una solo, que es el que se convierte en ovocito II. Cuando el ovocito II se libera al ovario e ingresa en la trompa de Falopio, ya ha iniciado la meiosis II. Sólo prosigue si el ovocito II es fecundado por un espermatozoide. Si no es así, el ovocito II (óvulo), muere. La meiosis en el hombre ( espermatogénesis): los espermatogonios entran en meiosis a partir de la pubertad. La espermatogénesis prosigue hasta una edad relativamente avanzada.
El sistema nervioso. El sistema nervioso se organiza en: Central: compuesto por la médula espinal y el encéfalo. Éste último está compuesto por el cerebro, el cerebelo y el tronco encefálico (compuesto por la protuberancia y el bulbo raquídeo). -
Periférico: se divide en:
Somático (de la vida o de relación): todo es voluntario. Está formado por los nervios, que llevan la información del medio, para provocar respuestas. Hay nervios craneales (nacen en los órganos del encéfalo y pueden ser sensitivos, motores o mixtos) y espinales (se conectan con la médula del sistema nervioso central; son mixtos, tienen una raíz sensitiva y una raíz motora). Autónomo (de la vida vegetativa): todo es involuntario. Se subdivide en simpático y parasimpático; ambos están conectados con el sistema nervioso central; inervan las vísceras (los órganos internos), y son antagónicos. esto significa que mientras uno acelera, el otro modela. Ese antagonismo no es igual en todos los órganos, a veces uno acelera y el otro modela en un órgano, mientras que en otro realizan la tarea inversa.
Estructura externa de una neurona (multipolar, que es el tipo de neurona más abundante):
o o
Soma: cuerpo de la neurona, con todos los organoides y el núcleo de la célula. Neuritas: hay de dos tipos:
a) Dendritas: son cortas y ramificadas, y se encuentran unidad al soma. Actúan como importantes receptores de mensajes. b) Axón: es una ramificación larga, cubierta por una vaina de mielina interrumpida por los nódulos de Ranvier , y termina en un teledendrón. Lleva información desde el soma hasta los botones terminales. El mensaje básico que transmite es el potencial de acción. El cuerpo del axón se denomina axoplasma.
o
Teledendrón: contiene vesículas denominadas botones sinápticos, que, cuando el potencial de acción llega a ellos, secretan una sustancia transmisora, llamada neurotransmisor, que excita o inhibe la neurona receptora.
La neurona está especializada en recibir estímulos y transmitir impulsos nerviosos (sinapsis). Según su estructura, las neuronas se clasifican en: -
Multipolar: un axón y los troncos de muchas dendritas.
-
Bipolar: un axón y un árbol dendrítico a ambos lados del axón.
Unipolar: tiene un único proceso que sale del soma y se divide en seguida en dos ramas. Estas neuronas transmiten información del entorno al sistema nervioso central. Las ramificaciones alejadas del sistema nervioso son dendritas, las que se hallan en el sistema nervioso, terminan en botones terminales. Las neuronas, según su función, se clasifican en: sensitivas, motoras e interneuronas o neuronas de asociación. Y además, la neurona tiene: * Sustancia blanca: en el exterior. En ella están los axones mielinizados. * Sustancia gris: en el interior. En ella están los cuerpos neuronales con las dendritas.
En el cerebro la sustancia gris está e la parte externa y la sustancia blanca en la parte interna (al revés que en el resto del sistema nervioso). El acto reflejo es la respuesta inmediata a un estímulo (involuntaria). El arco reflejo es la vía anatómica que sigue el estímulo desde el receptor, pasando por la neurona sensitiva, luego por el órgano del sistema nervioso central donde se elabora la respuesta. Y luego va a hacia la neurona motora que transporta la respuesta hacia el efector. Estructura interna de la neurona:
La membrana plasmática define los límites de la neurona. Consiste en una doble capa de moléculas lipídicas. Flotando en ella se encuentran diferentes tipos de moléculas proteicas que tienen funciones especiales. Es importante para la transmisión de información y su selección (permeabilidad selectiva). Es la estructura que permite el paso del impulso nervioso. El núcleo es redondo u ovalado, y está rodeado por la membrana nuclear. En su interior se localizan:
El nucleolo, que fabrica ribosomas (estructuras pequeñas relacionadas con la síntesis de proteínas) Los cromosomas, que son largas hebras de ADN. La activación de los genes (porciones determinadas de los cromosomas) origina la síntesis del ARN mensajero, que atraviesa la membrana nuclear y se liga a los ribosomas, donde da lugar a la producción de proteínas específicas.
El citoplasma conforma la mayor parte de la célula. Es una sustancia de tipo gelatinoso que se mueve y fluye; y contiene pequeñas estructuras especializadas:
Las mitocondrias, compuestas por una doble membrana. En su interior se produce la degradación de nutrientes para obtener energía. Le proporcionan a la célula ATP. Tienen su propio ADN y se reproducen independientemente. El retículo endoplasmático liso proporciona canales para la segregación de moléculas involucradas en diferentes procesos celulares (transporta lípidos y glúcidos). El retículo endoplasmático rugoso contiene ribosomas y realiza la síntesis de proteínas. El aparato de Golgi es un tipo especial de retículo endoplasmático. Tiene la función de envolver y empaquetar. Y produce lisosomas, que son pequeños sacos que contienen enzimas que degradas sustancia que ya no son necesarias para la célula. Esos productos residuales son expulsados o reciclados.
El citoesqueleto da forma a la célula. Está formado por tres tipos de filamentos proteicos. Los más gruesos de sos filamentos son los microtúbulos.
El transporte axoplasmático.
Es un proceso activo por el cual los materiales son propulsados a lo largo del axón (por los microtúbulos de que lo forman). El movimiento desde el soma hasta los botones terminales es anterógrado, llevado a cabo mediante las moléculas de una proteína llamada quinesina, que se une a la sustancia que debe ser transportada. Esa proteína se desplaza a lo largo de un microtúbulo, llevando su cargo a su destino. Por otra parte, el movimiento desde los botones terminales al soma es retrógrado y es llevado a cabo por la proteína llamada deneína. Células de soporte. En el sistema nervioso también hay neuroglias, que rodean a las neuronas. Esas neuroglias son células del sistema nervioso semejantes a las neuronas, pero no iguales. Las neuroglias más importantes son: Los oligodendrocitos: se encuentran sólo en el sistema nervioso central. Son células con pocas prolongaciones, que proporcionan soporte a los axones y forman la vaina de mielina de los axones de las neuronas del sistema nervioso central. Los astrocitos: tienen un cuerpo y muchas prolongaciones, se ubican junto a los capilares que componen el puente que divide la sangre de las neuronas y el sistema nervioso en general. Además, estas células en forma de “estrella” proporcionan soporte físico a las neuronas, limpian los desechos del cerebro (fagocitosis) y forman tejidos cicatrizantes en las áreas de los tejidos lesionados, entre otras funciones. Las células de Schwann: cumplen la misma función que los oligodendrocitos, pero en el sistema nervioso periférico. La vaina de mielina de los axones del sistema nervioso periférico está dividida en segmentos, cada uno de los cuales consiste en una única célula de Schwann, arrollada múltiples veces alrededor del axón. Además, estas células ayudan a la digestión de los axones muertos o moribundos. Las células de microglía: son capaces de hacer fagocitosis (digieren las partículas extrañas). Protegen al cerebro de los microorganismos invasores y son responsables de las reacciones inflamatorias en respuesta al daño cerebral. Las células ependimarias: forman el líquido céfalo-raquídeo que tiene la función de amortiguar los golpes. Tapizan las cavidades del sistema nervioso central. La barrera hematoencefálica. Se encuentra entre la sangre y el fluido que rodea a las células del cerebro. Es una barrera selectivamente permeable, constituida por las paredes de los capilares del cerebro. Y no es uniforme en todo el sistema nervioso (hay zonas en lo que es relativamente permeable). La transmisión de mensajes de un lugar a otro en el cerebro depende un equilibrio entre sustancias en el interior de las neuronas y el fluido extracelular que las rodea. Si la composición del líquido celular cambia, la transmisión de estos mensajes se verá alterada. La barrera hematoencefálica tiene la función de controlar ese fluido, y además, impide que ciertas sustancias lleguen al cerebro. Comunicación intraneuronal.
El potencial de membrana es la diferencia de carga eléctrica entre el interior del axón y el exterior. El mensaje que se conduce hacia el final del axón consiste en un breve cambio del potencial de membrana. (*) La diferencia de carga eléctrica a través de la membrana se denomina potencial de reposo: el exterior de la neurona es positivo, y su interior tiene cargas mayoritariamente negativas. Mediante la despolarización se reduce el potencial de membrana. Con un estímulo fuerte, el potencial de membrana se invierte, el interior se vuelve positivo y el exterior negativo. Una inversión rápida del potencial de membrana se llama potencial de acción y constituye el mensaje transportado por el axón desde el cuerpo celular hasta los botones terminales. El potencial de acción consiste en una serie de alteraciones en la membrana del axón que permiten que diferentes sustancias químicas se muevan entre el interior del axón y el fluido que lo rodea. Estos intercambios producen corrientes eléctricas.
(*) El potencial de membrana es el resultado del balance entre: La fuerza de difusión: es el proceso por el cual las moléculas se distribuyen homogéneamente por todo el medio en que se hallan. Cuando no hay fuerzas o barreras que impidan la difusión, las moléculas difunden desde regiones de alta concentración a regiones de baja concentración. La presión electroestática: cuando algunas sustancias se hallan disueltas en agua, se disocian en cargas positivas y negativas. Las sustancias que tienen esta propiedad se llaman electrolitos; las partículas cargadas eléctricamente son los iones, que pueden ser cationes (+) o aniones (-). Las partículas con el mismo tipo de carga se repelen y las de diferente carga se atraen. La presión electroestática es la fuerza ejercida por esa atracción o repulsión. Esta presión mueve iones de un lugar a otro: envía los cationes fuera de las regiones con exceso de cationes, y a los aniones fuera de las regiones con exceso de aniones. En el fluido intercelular se hallan los aniones orgánicos (-) y el K+ (potasio). En el fluido extracelular se hallan el Na+ (sodio) y el Cl- (cloro):
El anión orgánico (A-) está localizado en el interior de la célula porque la membrana es impermeable a él (es muy grande para atravesarla). El ion de potasio (K+) se halla concentrado en el interior de la célula; esto hace que las fuerzas de difusión lo empujen hacia afuera, en tanto que la presión electroestática lo empuja hacia adentro, lo que provoca que ambas fuerzas opuesta se equilibren. El ion cloro (Cl-) se halla en mayor concentración fuera del axón. Y sucede lo mismo que con el potasio: ambas fuerzas opuestas se equilibran. El ion sodio (Na+) se halla en mayor concentración fuera del axón. Y es empujado hacia el interior de la célula por la fuerza de difusión. Como está cargado positivamente, la presión electroestática no le impide entrar en la célula, de hecho, la carga negativa del interior del axón atrae al Na+. Sin embargo, el Na+ permanece en mayor concentración fuera de la célula por la intervención de la bomba de sodiopotasio que empuja continuamente el Na+ hacia el exterior de la célula (cada tres iones de Na+ que salen, entran dos de K+). Esta bomba de sodio-potasio tiene
transportadores de sodio-potasio que mantienen baja la concentración intracelular del Na+ y aumentan la concentración interna del K+.
El potencial de acción es causado por una caída breve de la resistencia de la membrana al Na+ (lo cual permite a estos iones precipitarse hacia el interior de la célula) seguida de una caída transitoria de la resistencia de la membrana al K+ (lo que provoca que estos iones salgan repentinamente de la célula). Esto se debe a que uno de los transportadores de sodio-potasio constituyó un canal iónico para que estas células puedan entrar o salir. Cuando se abre un canal iónico, un determinado tipo de iones puede pasar por él (entrar o salir de la célula). Entonces, la permeabilidad de una membrana está determinada por la cantidad de canales iónicos que se hallen abiertos.
Movimientos de los iones a través de la membrana durante un potencial de acción : 1) En cuanto se alcanza el umbral de excitación, los canales de sodio se abren y el Na+ se precipita hacia el interior, impulsado por las fuerzas de difusión y presión electroestática. La apretura de estos canales se debe a una despolarización del potencial de membrana (cambio del potencial eléctrico de la membrana). 2) Los canales de potasio necesitan un mayor nivel de despolarización antes de empezar a abrirse. De esta forma, se abren después de los canales del Na+. 3) Aproximadamente, cuando el potencial de acción alcanza su pico, los canales de sodio se inactivan (no se abren hasta que la membrana recupera su potencia de reposo). No puede entrar más sodio a la célula. 4) Los canales de potasio están abiertos: el K+ se mueve libremente. El interior del axón está ahora cargado positivamente, por lo que el K+ es empujado hacia el exterior de la célula por difusión y presión electroestática. Esta salida hace que el potencial de membrana vaya recuperando su valor normal. Al ocurrir esto, los canales de K+ se empiezan a cerrar nuevamente. 5) A medida que el potencial de membrana recupera su valor normal, los canales de K+ se cierran y no sale más potasio. En este momento los canales de sodio se reajustan para que otra despolarización pueda hacer que se abran de nuevo. 6) En realidad, el potencial de membrana sobrepasa su valor de reposo y lo vuelve a recuperar gradualmente. Esa hiperpolarización se debe a la acumulación de K+ fuera de la membrana. Finalmente, los transportadores de sodio-potasio expulsan al Na+ que había entrado y recuperan el K+ que había salido.
Conducción del potencial de acción . El potencial de acción se va conduciendo a lo largo del axón y a medida que viaja, su tamaño permanece constante. Una ley básica de la conducción axonal es la “ley del todo o nada”, es decir, un potencial de acción se da o no se da, una vez que se desencadena, se transmite a lo largo del axón hasta su extremo.
Un único potencial de acción no es el elemento básico de la información, sino que la variabilidad de la información depende de la tasa de descarga, que se complementa con la ley del todo o nada. La conducción del potencial de acción se da de distintas maneras, según el axón: La conducción del potencial de acción por un axón mielínico: el único lugar en que un axón mielínico entra en contacto con el líquido extracelular es en los nódulos de Ranvier. En las zonas mielinizadas no puede haber ninguna entrada de Na+ cuando los canales para este ion están abiertos, porque no hay sodio extracelular. Entonces, el axón conduce el cambio eléctrico desde donde se produce hasta el siguiente nódulo de Ranvier. El cambio eléctrico va disminuyendo, pero se regenera en cada nódulo de Ranvier y es transportado a lo largo del área mielinizada hasta el siguiente nódulo. Esta conducción recibe el nombre de conducción saltatoria. Este tipo de conducción tiene dos ventajas: es mucho más veloz y gasta menos energía. La conducción del potencial de acción por un axón amielínico: el potencial de acción empieza en un extremo del axón (unido al soma) y viaja de forma continua a lo largo de todo el axón amielínico. Permanece constante en su tamaño, hasta que alcanza los botones terminales. Este tipo de conducción gasta mucho más energía y es mucho más lenta que la anterior. Comunicación intraneuronal. Las neuronas se comunican entre sí a través de las sinapsis y estas conversaciones de un solo sentido están mediatizadas por las sustancias químicas liberadas por los botones terminales, denominadas neurotransmisores o sustancias transmisoras. En la transmisión de la información entre las células se utilizan: a) Neurotransmisores o sustancias transmisoras: son liberadas por los botones terminales y detectadas por receptores situados en la membrana de otra célula localizada a muy poca distancia. b) Neuromodeladores: también son liberador desde los botones terminales, pero son secretados en mayores cantidades y difunden a través de mayores distancias, modulando la actividad de muchas neuronas en una zona determinada del cerebro. Gran parte de los neuromodeladores están formados por péptidos. c) Hormonas: la mayoría son producidas por las glándulas endocrinas y otras por células especializadas localizadas en diferentes órganos. Las hormonas son liberadas en el fluido extracelular y son distribuidas al resto del organismo a través de la corriente sanguínea. Afectan a la actividad de las células que tienen receptores especializados. Las células que tienen receptores para una determinada hormona reciben el nombre de células diana (solo estas células responden ante su presencia). Todos (neurotransmisores, neuromodeladores y hormonas) ejercen sus efectos sobre las células uniéndose a una región específica: el lugar de unión. La forma de la sustancia y la forma del lugar de unión son complementarias.
Las sinapsis se puede establecer en tres lugares: sobre las dendritas (axodendríticas), sobre el soma (axosomáticas) y sobre otros axones (axoaxónicas). La estructura de una sinapsis está compuesta por: 1) La membrana presináptica, que está localizada al final del botón terminal y tiene una “zona de liberación”, desde donde se libera el neurotransmisor. 2) El espacio sináptico, compuesto por fluido extracelular, a través del cual se difunde el neurotransmisor. 3) La membrana postsináptica, localizada en la neurona que recibe el mensaje. En el citoplasma del botón terminal se encuentran tres estructuras predominantes: -
Las mitocondrias: aportan energía al botón terminal.
Las vesículas sinápticas: hay vesículas pequeñas, que contienen moléculas de sustancia transmisor; y hay vesículas grandes, que contienen uno de los numerosos neuropéptidos existentes. Las vesículas sinápticas pequeñas se producen en el aparato de Golgi y son transportadas por transporte axoplasmático hasta los botones terminales, y también son producidas en el botón terminal a partir de material reciclado, por medio de las cisternas. Las cisternas: son acumulaciones de membrana similares al aparato de Golgi, que fabrican vesículas sinápticas pequeñas con el material reciclado. La membrana postsináptica tiene receptores, que son moléculas proteicas especializadas, que detectan la presencia de las sustancias transmisoras en el espacio sináptico. La conducción de los potenciales de acción a lo largo del axón hace que en el interior de los botones terminales algunas vesículas sinápticas pequeñas (localizadas en la zona adyacente a la membrana presináptica) se fusionen con ella y se abran, liberando su contenido al espacio sináptico. La zona de liberación de la membrana presináptica tiene canales de calcio controlados por voltaje. Cuando la membrana del botón terminal se despolariza por la llegada del potencial de acción, esos canales se abren y el calcio entra en la célula empujado por la difusión y la presión electroestática. La presencia de calcio es esencial, ya que si no estuviera el potencial de acción no daría lugar a la liberación de la sustancia transmisora. Cada vez que se libera sustancia transmisora, a la membrana del botón terminal se le añade la membrana de las vesículas sinápticas que se fusionan con ella, por lo que se hace mayor. Por esto mismo, la membrana se recicla: se desprenden pequeños brotes hacia el interior del citoplasma. Este proceso es llamado pinocitosis. Los brotes de membrana migran hacia las cisternas y se funden con ella. De esto se forman nuevas vesículas sinápticas, que una vez listas son transportadas hacia la membrana presináptica. Activación de los receptores.
Las moléculas de sustancia transmisora producen una despolarización o una hiperpolarización de la membrana postsináptica, difundiendo por el espacio sináptico y uniéndose a los lugares correspondientes de receptores postsinápticos. Una vez unidos los receptores postsinápticos, uno o más canales iónicos controlados por neurotransmisor se abren, y permiten que determinados iones entren o salgan de la célula. La presencia de sustancia transmisora en el espacio sináptico cambia el potencial de membrana local. Los neurotransmisores abren canales iónicos de dos maneras:
a)
Directamente: el canal iónico tiene un lugar de unión, que cuando se le une una molécula de neurotransmisor apropiada, se abre. Esta combinación receptor-canal iónico se llama: receptor ionotrópico. Indirectamente: en el actúan los receptores metabotrópicos, los cuales no abren canales iónicos directamente, sino que en lugar de ello realizan una serie de acontecimientos químicos. Este mecanismo puede darse de dos formas: 1. Una molécula de la sustancia transmisora se une al receptor.
2. El receptor activa una proteína G situada cerca. 3. Dicha proteína cuando está inactiva, está formada por tres subunidades. Al activarse, la subunidad se separa de las demás y se une a un lugar especial de un canal iónico. 4. El canal iónico se abre permitiendo el paso de iones, produciéndose un potencial postsináptico. b) 1. Una molécula de la sustancia transmisora se une al receptor. 2. El receptor activa una proteína G situada cerca. 3. La subunidad de la proteína G se une y activa una enzima situada en la membrana. 4. El enzima activado da lugar a que se sintetice uno de los varios segundos mensajeros (sustancias químicas). Estos segundos mensajeros son importantes en la comunicación sináptica y en la no sináptica, y pueden iniciar cambios bioquímicos. En este caso, inician una serie de etapas químicas que dan lugar a la apertura del canal iónico.
Los potenciales postsinápticos pueden ser despolarizantes (excitatorios) e hiperpolarizantes (inhibitorios). Los potenciales excitatorios postsinápticos aumentan la probabilidad de que la neurona que los recibe produzca potenciales de acción; mientras que los potenciales inhibitorios disminuyen esa probabilidad. Lo que determina la naturaleza de los potenciales postsinápticos en una sinapsis particular es el tipo específico de canal iónico que abren. En la membrana postsináptica hay cuatro tipos principales de canales iónicos dependientes de neurotransmisores: El canal sodio dependiente de neurotransmisor es la fuente principal de potenciales excitatorios postsinápticos. Cuando los canales de sodio se hallen abiertos, el resultado será una despolarización, un potencial excitatorio postsináptico (PEP).
