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Actividad para el estudiante Material genético y reproducción celular

¿Cómo se multiplican las células?

Nivel: 2º medio Subsector: Biología Unidad temática: Material Genético y Reproducción celular Actividad: ¿Cómo se multiplican las células? La célula es la unidad fundamental de vida. A través de la célula se realizan todas las funciones de los organismos vivos, entre ellas la reproducción en que se da lugar a otro organismo vivo de similares características que el progenitor.

- ¿Cómo es que una sola célula fecundada se transforma en un individuo de millones de células?

- ¿Para qué tenemos tantas células? ¿Todas son iguales? ¿Realizarán la misma función?

Sabemos que las células contienen el material genético necesario para dividirse y formar una célula igual a la anterior. Si todas las células se reproducen:

- ¿Contienen todas las células la misma información genética? - ¿Qué es el material genético? - ¿Cómo y qué es lo que hace que la información sea transmitida a la

célula siguiente? - ¿Cuántas células origina una célula progenitora? ¿Cuánto tiempo

demora? - ¿Cómo sabemos que las células están vivas? - ¿Qué es una célula?

Tu cuerpo está compuesto por más de mil millones de células que van muriendo continuamente y nuevas células se van formando construyendo nuestro cuerpo. El material hereditario de cada célula se encuentra en el núcleo de cada una de ellas (células somáticas) excepto aquellas células que son reproductoras o gametos. Material genético El material genético está organizado en 46 estructuras llamadas cromosomas. Un cromosoma es una doble cadena de ADN en forma de hélice. En promedio, cada cromosoma contiene entre uno y dos mil genes. Y un gen contiene la información para sintetizar una proteína a través del ARN mensajero.

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Mitosis y conceptos importantes

Nivel: 2º medio Subsector: Biología Unidad temática: Material Genético y Reproducción celular Actividad: Mitosis y conceptos importantes Sugerimos realizar esta actividad luego de la actividad “¿Cómo se multiplican las células?”. En esa actividad construiste cada etapa del ciclo celular. Estas etapas implican una serie de conceptos y nuevos términos que es necesario que conozcas y además manejes. A continuación, encontrarás una serie de definiciones a los nuevos conceptos. Para asegurar tu aprendizaje, construye un mapa conceptual con alguno de los conceptos que se encuentran a continuación. Es posible que tengas dudas o necesites complementar la información. De ser así, busca bibliografía adecuada o pregunta a tu profesor o profesora. Guía de conceptos

1. Lee comprensivamente los siguientes conceptos. No te quedes con ninguna duda, si es necesario, complementa esta información.

ADN – estructuras macromoleculares que contienen todo el material genético de un organismo. Cada uno de los ADN humano está formado por dos hebras complementarias que se tuercen una con otra, semejando una escalera en espiral o de caracol. ARN - macromoléculas que son copiadas a partir de genes del ADN. Hay diferentes tipos de ARN: ARN mensajero (ARNm) tiene información que en los ribosomas sirve para sintetizar una proteína específica; el ARN de transferencia (ARNt) capta aminoácidos que lleva hacia los ribosomas; y el ARN ribosomal (ARNr) sirve para formar ribosomas.

Alelo: variante de un gen particular; por ejemplo; hay genes azules y café para el gen que determina el color de los ojos

Anafase: fase de la mitosis donde las cromátidas hermanas se separan y los cromosomas hijos migran a los polos opuestos de la célula donde se ubican los centríolos.

Autosoma: cualquier cromosoma que no esté involucrado en la determinación del sexo.

Célula somática – cualquier célula en el cuerpo que no sea reproductora (gametos).

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Centríolos: estructuras en el citoplasma desde las cuales se forman las fibras del huso mitótico.

Centrómero: constricción en un cromosoma no duplicado del cual resultan dos regiones o brazos. Sirven como un sitio de unión para las cromátidas hermanas y fibras del huso.

Células hijas – son las dos células resultantes de la división de una célula progenitora.

Citocinesis: división del citoplasma al finalizar la división nuclear.

Ciclo celular: proceso de progresión de una célula progenitora desde su origen pasando por el crecimiento y desarrollo, síntesis de ADN y división celular para producir células hijas.

Citoesqueleto - enrejado de proteínas que dan forma a las células.

Cromátida: es la mitad de un cromosoma duplicado el cual está unido a la otra mitad (cromátida) por el centrómero.

Cromátidas hermanas - dos copias idénticas de un cromosoma que están conectadas por el centrómero.

Cromosomas: estructuras presentes en los núcleos de las células eucariontes. Contienen uno o dos ADN (en su forma no duplicada y duplicada respectivamente), y están asociados con proteínas especialmente cuando se condensan.

Cromosoma desenrollado o descondensado - estado relajado de ADN durante la interfase del ciclo celular. Cromosoma homólogo – son los cromosomas que tienen el mismo tamaño, forma y tipo de genes. El ADN que codifica para el color de pelo en el alelo de tu madre es homólogo al ADN que codifica para el color de pelo en el alelo correspondiente a tu padre. Cromosomas duplicados o replicados - cromosomas que han experimentado replicación de ADN y contienen dos cromátidas hermanas. Cromosomas hijos – son producidos por la separación de las cromátidas hermanas idénticas en la anafase de la mitosis. Cromosomas no duplicados o no replicados – son los cromosomas que no han experimentado réplica y contienen sólo un ADN.

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Diploide - célula que contiene dos cromosomas de cada tipo, tal como una célula somática humana. Etapa S - segunda etapa de la interfase entre G1 y G2; período de replicación de ADN. Gametos – son las células reproductoras; espermatozoides y óvulos en animales. G1 - primera etapa de la interfase, durante la cual ocurre el crecimiento y el desarrollo celular; precede a la síntesis de ADN o etapa S. G2 - tercera etapa de la interfase durante la cual ocurre la formación de algunos organelos y síntesis de proteína; sucede después de la síntesis de ADN o etapa S. Gen – segmento de un cromosoma que tiene información codificada para la síntesis de una proteína. Para que esto ocurra, debe copiarse el gen a un ARNm. Huso mitótico - fibras de proteína que mueven a los cromosomas durante la división de la célula. Interfase - etapa del ciclo celular donde la célula no se está dividiendo; incluye G1, S y G2. Material hereditario - información que es traspasada de una generación celular a la siguiente (codificada en el ADN).

Membrana celular o plasmática: estructura de una célula que separa el medio externo del citoplasma.

Membrana nuclear – estructura semejante químicamente a la membrana de la célula. Esta estructura separa el citoplasma del núcleo; contiene grandes poros para la transferencia de las macromoléculas como el ARN. Metafase - etapa de la mitosis en la que los cromosomas duplicados se alinean en el centro de la célula. Mitosis - proceso de división celular en la que las células hijas son genéticamente y morfológicamente idénticas a sí mismas y a la célula progenitora. Es decir, son clones entre ellas. Núcleo – organelo que contiene a los cromosomas. Organelos – estructuras membranosas conectadas entre ellas que se encuentran dentro de la célula.

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Profase - etapa de la mitosis en que los cromosomas duplicados se condensan; la membrana nuclear se disocia; los centríolos emigran a los polos de la célula. Proteína - cadena de polipéptido que cumple función estructural o enzimática u otro rol en la célula.

Replicación (duplicación) de cromosomas: la duplicación cromosomal ocurre durante la fase S del ciclo celular; las dos hebras del ADN se separan y cada una sirve como un molde para la síntesis de dos hebras hijas complementarias.

Síntesis de ADN - la síntesis de ADN ocurre durante la fase S del ciclo celular; las dos hebras o cadenas de ADN se separan y cada una sirve como un molde para la síntesis de una hebra hija complementaria. Telofase - etapa mitótica donde se forma la membrana nuclear y desaparece el huso mitótico.

2. Construye un mapa conceptual con al menos 15 de estos conceptos. Trata de que este mapa te sirva a ti también a modo de resumen de este contenido, así podrás utilizarlo para preparar alguna evaluación.

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Cada vez que una célula se divide, cada cromosoma debe ser replicado (copiado o duplicado) y luego distribuido, así se asegura que cada célula hija reciba la información completa y exacta. La división nuclear incluye los procesos sucesivos de replicación (duplicación), separación y distribución de los cromosomas. La Figura 1, ilustra el proceso:

Figura 1: Replicación y división de cromosomas

Adapted from Postlethwait, J. H. & Hopson, J. L. (1995). The Nature of Life,

Third Edition. San Francisco: McGraw-Hill, Inc. Figure 7.8, page 173. La síntesis de ADN ocurre en el núcleo y produce una copia exacta de cada cromosoma. Durante la replicación, la doble hélice se abre y una nueva hebra complementaria es sintetizada a partir de las hebras originales (proceso ilustrado en la Figura 2). Finalmente se obtienen dos hélices idénticas de ADN, cada una contiene una hebra original y una hebra nueva sintetizada.

Figura 2: Replicación de ADN

ADN Original

ADN hijo

Cada célula atraviesa un ciclo vital, semejante al ciclo de la vida humana. Así también, el ciclo de vida de una célula tiene las siguientes etapas:

- Interfase, que a su vez se divide en: - G1 (crecimiento 1) - S (síntesis) - G2 (crecimiento 2)

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- Mitosis: - P (profase) - M (metafase) - A (anafase) - T (telofase)

La síntesis de ADN ocurre durante la fase de Síntesis de la interfase. Observa la Figura 3 que ilustra el ciclo celular.

Figura 3: Ciclo celular

Una vez que la célula se encuentra en la etapa de mitosis: ¿cuántas veces se dividirá una misma célula? Con las actividades que te proponemos podrás encontrar la respuesta a ésta y a otras preguntas de la división celular. Además podrás comprender a cabalidad el proceso de la mitosis. ACTIVIDAD: Explorando el proceso de la división celular mitótica En esta actividad estudiarás la mitosis en un organismo con seis cromosomas que se representarán a través de cuchillos, tenedores y cucharas. Los materiales que debes utilizar en cada paso son:

- Papel para representar las células. - Hilo de coser para representar las membranas. - Cordel o pitilla para representar las fibras del huso mitótico.

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- Cuchillos, tenedores y cucharas de diferentes materiales o colores. Estos serán representarán cromosomas.

- Elásticos. Con estos materiales y siguiendo un procedimiento, podrás representar cada etapa del ciclo de vida de una célula eucarionte. En cada etapa que se detalla a continuación existe un procedimiento detallado que debes seguir, acompañado con una serie de preguntas que puedes utilizar a modo de autoevaluación. Te recomendamos que expliques tus respuestas con tus propias palabras sin recitar, de ese modo, puedes asegurar que aprendiste en qué consiste la mitosis celular. Procedimientos: A continuación hay 6 procedimientos que debes desarrollar, cada uno indica una etapa diferente del ciclo celular. Al final de este proces, habrás construido por ti mismo, un modelo de la mitosis. I. Procedimiento: Construye tu célula En esta etapa haz una célula con la que construirás el modelo de mitosis celular.

1. Toma un papel grande y dibuja tu célula. Utiliza un hilo del color para mostrar la membrana nuclear y otro hilo de diferente color para mostrar la membrana celular.

Al interior de la célula, se encuentra en el núcleo, y al interior de él el material genético, que será representado por cuchillos, tenedores y cucharas.

2. Representa los cromosomas por dos tenedores (uno rojo y uno blanco), dos cuchillos (uno rojo y uno blanco), y dos cucharas (una roja y una blanca). Lo importante es que cada par de tenedores, cuchillos o cucharas sean diferentes entre si. Puedes utilizar dos tenedores de diferente material, o de diferente color.

Este procedimiento simula una célula diploide con tres pares de cromosomas (o seis cromosomas) en el núcleo. Obtendrás una imagen de una célula con dos membranas (membrana celular y nuclear), y dentro de la membrana nuclear deben estar los 6 elementos que usaste para representar los cromosomas. Observa tu diagrama y luego contesta las siguientes preguntas. Puede que necesites bibliografía de apoyo para contestar alguna de ellas.

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1) ¿Qué es una célula diploide? -________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) La mayoría de las células humanas ¿son diploides o haploides? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3) Según tu diagrama celular: ¿Cuántos pares de cromosomas homólogos

hay? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4) Luego de estas preguntas, dibuja en tu diagrama un círculo que encierre

cada par homólogo de cromosomas. Luego puedes continuar con el resto de las preguntas.

5) Estos cromosomas homólogos ¿están apareados uno junto al otro en la

célula, o son independiente uno del otro? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 6) De acuerdo a las siguientes alternativas (a, b, c, d), ¿Cuál es la mejor

descripción de cromosomas homólogos? (Escoge la mejor respuesta) a) Son del mismo tamaño y forma. b) Contienen los mismos tipos de genes y en el mismo orden. c) Generalmente contienen versiones diferentes (alelos) de muchos genes. d) Todas son correctas

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7) Intenta hacer tú mismo una definición de cromosoma homólogo. Luego de hacer esta definición, busca una definición en bibliografía y compáralas. Complétala si es necesario.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 8) ¿Qué es un gen? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 9) ¿Qué es un alelo? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ II. Procedimiento: Tu célula en la etapa de Interfase y replicación de cromosomas En la etapa de interfase los cromosomas en el núcleo de la célula están extendidos y, por tanto, no están formando una doble hélice. En esta configuración no son visibles al microscopio. En esta etapa el material genético recibe el nombre de ADN. En nuestro esquema celular no podremos simular esta situación debido a que no podemos desenrollar los elementos que representan los cromosomas. Por lo tanto, pensemos e imaginemos que cada uno de estos elementos está extendido, lo que equivale en nuestra célula, a que nuestros cubiertos estuviesen trozados y dispersos en el núcleo. En tu célula:

1. Replica (duplica) cada uno de los cromosomas en el núcleo. Realiza esto ubicando seis cromosomas más (o los elementos que utilizaste), que se emparejan con el conjunto que se tiene.

En la replicación de cromosomas, cada uno de ellos da origen a uno de iguales características que se encuentran unidos por medio del centrómero.

2. Conecta con un elástico los elementos similares. Por ejemplo: une un tenedor rojo al otro tenedor rojo, un tenedor blanco al otro tenedor blanco, etc. Este elástico representará el centrómero.

El núcleo tenía inicialmente, seis cromosomas (tres pares) no duplicados, y ahora contiene seis cromosomas duplicados (6 pares). Por lo tanto, en esta etapa, cada cromosoma ha hecho esencialmente una copia idéntica de sí mismo.

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Figura 4: Interfase

Las dos copias idénticas de cada cromosoma conectadas por el centrómero se llaman cromátidas hermanas, como lo indica la Figura 5.

Figure 5: Cromosoma duplicado

Centrómero

Luego de que tengas hecho tu diagrama con los 6 cromosomas duplicados, contesta las siguientes preguntas: 1) ¿Qué es una cromátida? ¿De qué está hecho? ¿Será una proteína, un

carbohidrato, un lípido y/o ADN)? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) ¿En qué se diferencia una cromátida hermana de un cromosoma? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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3) ¿Qué es el centrómero? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Recuerda que cuando la célula se encuentra en la etapa de interfase, el material genético está extendido. Cuando la célula pasa a la etapa de mitosis, el mismo material genético se enrolla formando los cromosomas. 4) ¿Habrán más diferencias? Compara un cromosoma extendido (desenrollado

o descondensado) con un cromosoma condensado. III. Procedimiento: La célula en la Profase de la mitosis En la profase (primera etapa de la mitosis) los cromosomas replicados, que estaban unidos por el centrómero, se condensan y son visibles, como lo indica la Figura 6.

Figura 6: Profase

Citoplasma

Centrómero

Núcleo celular

Los cromosomas al interior de tu célula están unidos por el elástico que representa el centrómero. Con respecto a esta etapa: 1) Fíjate en las cromátidas hermanas conectadas por un centrómero ¿son

idénticas o contienen alelos diferentes? Explica. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Como has notado en la Figura 6, estas estructuras son llamadas cromosomas duplicados. Los cromosomas duplicados son bastante diferentes de los cromosomas no duplicados vistos anteriormente.

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2) Compara los cromosomas replicados con unos no duplicados. Completa la

frase.

a) La cantidad de ADN en un cromosoma replicado es (inserte el número) ________________ veces la cantidad de ADN de un cromosoma sin duplicar.

b) El número de copias de cada gene en un cromosoma replicado es (inserte el número) ________________ veces el número de copias de un cromosoma no replicado.

c) Cada cromosoma replicado contiene (inserte el número) ________________ copias completas de información genética.

d) Las copias de la información genética en cada cromosoma son ________________ (idénticas, homólogas, o complementarias).

3) ¿Crees que los cromosomas homólogos replicados (los dos pares de

cuchillos, los dos pares de tenedores y los dos pares de cucharas) se aparearán el uno al otro durante la mitosis? Explica.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4) ¿Cuántas cromátidas hermanas hay en el núcleo durante la profase? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 5) Una célula humana diploide contiene 46 cromosomas no duplicados en la

interfase temprana. ¿Cuántas cromátidas hermanas estarán presentes durante la profase de la mitosis?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Al final de esta etapa, la membrana nuclear "desaparece", lo que permite el desarrollo del resto de los acontecimientos de la mitosis.

1. En tu célula, quita la membrana nuclear de alrededor de los cromosomas en el núcleo de tu célula.

Aparecen fibras (huso mitótico o acromático) que proceden de dos estructuras llamadas centríolos que han emigrado a polos opuestos de la célula. Las fibras están formadas por microtúbulos de proteína.

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2. Luego, pon fibras en tu célula utilizando pedazos de cordel y dibuja los centríolos en los puntos apropiados del papel.

Las fibras conectan a los cromosomas duplicados en sus centrómeros. Las fibras deben pasar por el elástico que representa el centrómero. IV. Procedimiento: La célula en la Metafase de la mitosis En la metafase, las fibras ordenan los cromosomas en el plano de la metafase, en el centro de la célula, tal como lo indica la Figura 7. Los cromosomas homólogos son independientes uno del otro, es decir los cromosomas homólogos replicados, como los dos conjuntos de cucharas replicados, NO ESTÁN APAREADOS.

Figura 7: Metafase

Huso mitótico

1. En tu célula, arregla los cromosomas en el centro de la célula. El orden específico de los cromosomas y su orientación (boca arriba, al revés) es completamente aleatorio.

Con respecto a esta etapa, contesta: 1) ¿Cuántos cromosomas replicados están en el plano de la metafase en la

Figura 7? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) ¿Cuántos cromosomas replicados estarían en el plano de la metafase en

una célula humana que experimenta la mitosis? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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V. Procedimiento: Anafase de la Mitosis Durante la etapa de anafase, las cromátidas hermanas se separan para formar a los cromosomas hijos. Observa la Figura 8.

1. En tu célula, separa las cromátidas hermanas (servicios) para formar los cromosomas hijos.

Figura 8: Anafase

Los cromosomas hijos son movidos hacia polos opuestos por el huso. Las cromátidas son flexibles y son arrastradas a través del citoplasma mediante las fibras del huso unidas a cada centrómero. Con respecto a esta etapa, contesta las siguientes preguntas: 1) ¿Los cromosomas hijos están duplicados o no duplicados? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) Los dos conjuntos de cromosomas hijos, uno moviéndose hacia la izquierda

y el otro hacia la derecha, ¿son idénticos o distintos? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3) ¿Los dos conjuntos de cromosomas hijos son idénticos a los de la célula

progenitora? ¿Qué se ha logrado en este proceso? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ VI. Procedimiento: La célula en la Telofase de la Mitosis

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Durante esta etapa los cromosomas hijos alcanzan los polos de la célula y comienzan a descondensarse. Las fibras del huso desaparecen.

1. En tu célula quita las fibras de tu célula e imagina que tus cromosomas entran al estado descondensado (plástico derretido).

Se forman dos nuevas membranas nucleares, una alrededor de cada conjunto de cromosomas hijos.

2. Luego, utiliza hilo de coser para crear dos nuevas membranas nucleares en tu célula (Figura 9).

Figura 9: Telofase

Cromosoma descondensado

Al final de la telofase ocurre la citocinesis, en ella la membrana celular de una célula animal, comienza a hundirse en el centro (Figura 9), dividiéndose por la mitad originando dos células hijas (Figura 10).

1. Divide tu célula por la mitad, reemplazando el hilo largo que representaba la membrana de la célula progenitora con dos pedazos más cortos de hilo que representarán a las membranas de las dos células hijas.

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Figura 10: Citocinesis completa

Estas células hijas ahora entran la etapa temprana de interfase. Imagina que tus cromosomas están desenrollados. Las células crecerán hasta el tamaño normal, continuarán dividiéndose, replicarán sus cromosomas y repetirán el ciclo otra vez. Con respecto a última etapa: 1) ¿Existe todavía la célula progenitora? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2) ¿Cómo están relacionadas las células hijas? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3) ¿Cómo están relacionadas estas células hijas con la célula progenitora? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4) En términos generales, ¿qué se logró a través de la mitosis? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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5) Has utilizado tus materiales para modelar la mitosis (la división nuclear) y la división celular (citocinesis). Explica de alguna manera por qué un modelo difiere de la realidad y de los procesos que representa.

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