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.