Crecimiento de

Poblaciones Celulares y

su Perturbación

Depto. Biofísica

Facultad de Medicina

ESFUNO ESCUELAS, UTI BCyT 2018

Ciclo Celular: “ el reloj molecular”

Figure 8.1 The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

Se ha descrito el ciclo

celular como un reloj donde

cada fase funcionaría de

acuerdo a una especie de

reloj interno, que

determinaría cuánto tiempo

debería durar.

Actualmente el ciclo celular

se describe como las

piezas de un dominó que,

al caer, hacen que la

siguiente caiga también.

Para que una fase del ciclo

celular tenga lugar, la fase

anterior tiene que haber

finalizado correctamente.

PROLIFERACIóN CELULAR.

La proliferación celular es un evento esencial en el mantenimiento

y continuidad de la vida y requiere la progresión a través de ciclos

celulares sucesivos.

El ciclo celular comprende un conjunto ordenado de sucesos

que llevan al aumento de la masa celular, la replicación del ADN,

la segregación del material genético y la división en dos células

hijas.

En condiciones de perturbación (ej: exposición a agentes

genotóxicos) pueden provocarse modificaciones de importancia

biomédica como son muerte celular, mutaciones y transformación

maligna.

El ciclo celular se divide de

manera general en dos

grandes etapas:

Interfase y Mitosis.

Fase G1: Es la fase que sucede a las division celular y la mas variable en

duración

Fase S: Es la fase donde se realiza la replicación del AND.

Fase G2: Es la fase donde se ensamblan las estructuras necesarias para la

separación de las celulas hijas.

Fase M: Es la fase donde se da propiamente la separación de las células hijas.

• Cada población celular presentará una duración del ciclo

celular diferente:

bacterias 30 min

levaduras 1.5 h

fibroblastos 24 h

• Para el estudio de la cinética de

crecimiento se puede emplear la

citometría de flujo.

• Donde la cuantificación del

contenido de ADN permite

determinar la distribución de una

población celular a lo largo de las

distintas fases del ciclo.

• Utilizando colorantes de ADN que incrementan la

fluorescencia tras su unión al ácido nucleico.

• La cantidad de colorante unido es proporcional a la

cantidad de ADN, y por tanto la luz recogida en el

citómetro es proporcional a la cantidad de ADN de cada

célula.

• Las poblaciones celulares pueden clasificarse:

a. Según las fases representadas como:

-homogéneas: donde todas las fases se encuentran

representadas.

-sincronizadas: todas las células se encuentran en la

misma fase.

b. Según la duración de sus fases como:

-ideales: todas las fases duran lo mismo.

-reales: no todas las fases duran lo mismo.

• Las transiciones entre fases están reguladas por puntos de

restricción o control.

• En estos puntos la célula censa las condiciones externas como

internas de forma de asegurar su futura supervivencia.

• Durante la interfase existen dos puntos de control esenciales

en G1 antes de la síntesis de ADN y en G2 antes de entrar en

mitosis y en la fase de división se encuentra otro punto llamado

punto M.

La regulación se da a partir de genes que controlan la inducción y

activación de complejos ciclina-proteinquinasas dependiente

de ciclinas (cdk).

Puntos de Control

La desregulación de la maquinaria de decision del Punto R acompaña la formación de la mayoría de los tumores

Punto R

Ciclo Celular: Puntos de control

La progresión del ciclo celular es activada directamente por

proteínas ciclinas y las kinasas dependientes de ciclina (CDKs).

En los mamíferos existen 4 ciclinas bien identificadas con la

promoción del ciclo celular, denominadas A, B, D, E

Estas ciclinas varían su concentración durante las diferentes

fases del ciclo, e interaccionan con las CDKs activándolas.

La ciclina D es la que transmite la información desde los

mitógenos a la maquinaria de ciclo celular, mientras que las otras

operan independientemente.

Las cdk mantienen constante su concentración durante todo el

ciclo, pero solo serán activas al unirse a las ciclinas.

Las diferentes ciclinas varían su concentración durante el ciclo

provocando de esta manera la progresión en el ciclo.

• Entonces el sistema de control del ciclo celular es un

dispositivo bioquímico compuesto por un conjunto de

proteínas reguladoras interactivas: las ciclinas y las

quinasas dependientes de ciclinas.

• Si se produjo daño en el ADN, se abre una ventana

temporal que posibilita la reparación.

• Los mecanismos se han estudiado en levaduras y

ovocitos de rana como modelos eucariotas,

encontrándose importantes homologías con las células de

mamíferos, demostrando una conservación de

mecanismos de control en la evolución.

• El cáncer puede deberse a una falla en el control y regulación

del ciclo celular, perdiéndose la normalidad en el crecimiento

celular.

• En células humanas la supresión tumoral se vincula a la

capacidad de freno en el ciclo:

Relacionándose con:

aumento de la probabilidad de reparación sin error

disminución significativa de modificaciones genómicas que

llevan al cáncer.

• Una población celular se define como un conjunto de células

de cierta línea que proviene de la división de una o más

células madres, y que tienen ciertas características en

común:

genéticas

bioquímicas

morfológicas

funcionales

• El crecimiento se caracteriza por un aumento del número

de individuos (N) bajo ciertas condiciones fisicoquímicas

del medio.

Crecimiento de Poblaciones

Celulares

• A veces se recurre a aislar la especie celular en

estudio y se la mantiene viva en medios artificiales,

en cultivos de células.

• Al aislar la especie celular y mantenerla viva en

medios artificiales existe la ventaja de poder

controlar una serie de parámetros de crecimiento y la

desventaja de que no siempre los resultados son

extrapolables a lo que sucede “in vivo”.

Dinámica de una Población Aislada

• Si se coloca 1 célula en un medio nutritivo adecuado y

condiciones óptimas de temperatura, pH, ppO2 y ppCO2, al

cabo de cierto tiempo se habrá dividido.

• Con estas condiciones una población celular presentara un

ciclo de crecimiento reproducible in vitro.

n= t/TGC

Luego de n generaciones celulares, se obtendrán:

N=2n

• Previo a la 1ra división celular ocurre un retardo en elcrecimiento propio de la “adaptación al medio”.

• Pasada la fase lag o de retardo, el crecimiento se producede acuerdo al Modelo Malthusiano o exponencial donde latasa de crecimiento es constante.

• Este modelo explica sólo la fase de crecimiento exponencial

• En un cultivo de células en medio líquido llega un momentoen que el número N de individuos se estabiliza. Un númeroigual de células se dividen y mueren, alcanzando la faseestacionaria.

• Ahora el crecimiento se dará de a cuerdo al ModeloVerhultsiano o logístico, el cual define tanto la faseexponencial como la estacionaria.

• El crecimiento exponencial se ajusta a un modelo tipo

exponencial:

N = No . 2n

N = No . ekt donde k = ln 2 / TGC

• El modelo logístico (Verhultsiano) permite el estudio de las

fases exponencial y estacionaria de crecimiento, considerando

variaciones en la velocidad de crecimiento debido a la

competencia.

a = ln 2/ TGC

Cuando t→∞,N(t) →NmaxeN

tta

max

)( 2/1

1N

Tiempo (hs).

0 5 10 15 20 25 30 35

Nº.

de in

div

iduo

s

0

10

20

30

40

LAG

EXPONENCIAL

ESTACIONARIA

Fases de la Curva de Crecimiento

Parámetros de Crecimiento

Tiempo (hs).

0 5 10 15 20 25 30 35

Nº.

de indiv

iduos x

10

6

1

2

3

4

5

6

789

10

17.520

30

40

50

60

708090

100

TLAG

EXPONENCIAL

TGC

ESTACIONARIA

Nmax

N0

N1/2

T1/2

• Diversos agentes físicos y químicos pueden alterar la

proliferación celular, por sus efectos sobre el ADN,

enzimas y membranas.

• Agentes físicos: radiaciones ionizantes (RX y Rg)

no ionizantes (UV)

temperatura

• Agentes químicos: drogas radiomiméticas

• Agentes biológicos: virus

Perturbación de la Proliferación

Acción directa: consecuencia de

ionizaciones que se producen en

los átomos que forman la

molécula del ADN.

Acción indirecta: interacción del

haz de radiación con otros

átomos y moléculas de la célula

como el agua, produciéndose

radicales libres que al difundir

hasta la molécula de ADN, la

dañan de manera indirecta.

La etapa física de la acción biológica de las radiaciones

ionizantes consta de una:

• Las lesiones más frecuentes producidas por

radiaciones ionizantes son:

• Radicales libres: son átomos o moléculas con uno o más

electrones no apareados. Pueden generarse por:

Absorción de radiación a nivel celular

Efecto de drogas (radiomiméticas)

Procesos metabólicos de óxido-reducción espontáneos

• Debido a que las células están constituidas por un alto

porcentaje de agua, muchas acciones nocivas de las RI

involucran especies reactivas del oxigeno (ROS). Que se

producen a través de la radiólisis del agua.

• La bleomicina es un antibiótico tumoral que se intercala en el

ADN. Por reacciones de óxido-reducción con iones metálicos

se activa y genera radicales libres.

• Los radicales libre producen reacciones de óxido-

reducción en cadena llevando a la formación de

productos tóxicos (por ejemplo: H2O2).

• Se ha demostrado una correlación entre la

concentración de H2O2 y la producción de aberraciones

cromosómicas y recombinaciones intergénicas.

• La acumulación de lesiones por radicales libres lleva a:

envejecimiento celular

otras patologías incluido el cáncer

• Las células contienen ciertas enzimas capaces de

procesar los radicales libres.

• Las superóxido dismutasas (SOD), procesan el radical

superóxido ( ), dando lugar a la formación de H2O2 y

O2.

• Otras enzimas como las peroxidasas y catalasas son

capaces de procesar el H2O2.

• Las vitaminas C y E, los fenoles y el glutatión son

capaces de interrumpir las reacciones en cadena de los

radicales libres.

• La fuente más importante de radiación ultravioleta es

la luz solar. Se la clasifica en 3 clases: UVA, UVB y

UVC, de acuerdo a la longitud de onda.

• La radiación UV produce dímeros particularmente de

timina. Estas lesiones son potencialmente letales,

mutagénicas y cancerígenas.

• El benzopireno, producto de combustión del

combustible y cigarrillos, al metabolizarse se fija en

forma de diolepóxido al ADN. Agente cancerígeno muy

poderoso.