La diferenciación celular es el proceso por el cual las células cambian de una morfología celular a otra, generalmente uno tipo más especializado. Para esta diferenciación la célula atraviesa un proceso de morfogénesis, donde hay modificaciones en su expresión génica, que la llevan a adquirir la morfología y las funciones de un tipo celular específico y diferente al resto de los tipos celulares del organismo.
https://www.youtube.com/watch?v=BlAbILs4tgk
A cualquier célula que presente un nivel de potencial
celular o capacidad de diferenciación, es lo que se denomina células
madre. Estas pueden clasificarse según su capacidad de diferenciación en totipotentes,
pluripotentes…
La diferenciación ocurre múltiples veces durante el desarrollo
de un organismo pluricelular, a medida que cambia de un cigoto simple a un
complejo de tejidos y órganos especializados.
La diferenciación altera de manera drástica el tamaño de la
célula, su forma…
Las células madre son células capaces de generar nuevas
células en nuestro organismo, totalmente eficaces. Existen dos tipos: las
células madre de origen embrionario y las células madre adultas. Una de sus
funciones es producir células sanguíneas como son los glóbulos blancos, rojos y
las plaquetas.
Las células madre son capaces de cambiar y transformarse en
otros tipos de células que se encuentran en el cuerpo. Este proceso es la diferenciación celular y está a cargo
del desarrollo de todas las células del cuerpo. Esto significa que las células
madre pueden diferenciarse en células musculares, células grasas, células
óseas, células sanguíneas, células nerviosas, células epiteliales, células
inmunes, células sexuales y más.
Una célula capaz de producir la totalidad de tipos celulares,
incluyendo los tejidos embrionarios, se le denomina célula totipotente.
En mamíferos, solo el zigoto y los blastómeros son totipotentes.
Si la célula solo puede diferenciarse en linajes celulares
presentes en el adulto se denomina una célula pluripotente. Estas
células se denominan meristemáticas en vegetales, y células madres
embrionarias en animales.
Una célula multipotente solo puede
diferenciarse en pocos tipos celulares, generalmente del mismo linaje celular.
Por ejemplo, en la hematopoyesis se producen diferentes tipos de
células, pero todas del mismo linaje, el sanguíneo.
¿Pero cómo sabe cada célula en qué tipo específico debe diferenciarse? Hasta hace poco, no se conocían bien los mecanismos subyacentes a este proceso, sin embargo, ahora se ha demostrado que se debe principalmente a variaciones altamente reguladas en el nivel de expresión de los genes. Gracias a este control, se pueden alterar las proteínas que se expresan en cada célula, lo que puede alterar directamente sus características o cambiar sus respuestas frente a factores externos.
Las células animales y vegetales se especializan en función de
señales químicas. Estas señales pueden ser:
- Internas, lo
que significa que la señal procede de la propia célula diferenciadora.
- Externas, lo
que significa que la señal procede de otra célula, que puede ser vecina o
estar distante, o bien de estímulos ambientales.
Cuando una célula recibe una señal, genes específicos
de esa célula diferenciada se expresan y la conducen a convertirse en una
célula de un linaje específico. Entonces, si una célula madre recibe una señal
que le indica que se diferencie en una célula del sistema nervioso, esta célula
madre sólo expresará los genes necesarios para formar
una célula del sistema nervioso.
La diferenciación celular en animales
La diferenciación celular provoca cambios drásticos en el
tamaño, la forma, el potencial de membrana, la actividad metabólica y las
respuestas a las señales. Las características de una célula especializada
o diferenciada incluyen:
- Forma
determinada, que le ayuda a cumplir su función.
- Función
específica, que cumple como parte de un tejido y/o de un órgano.
- Actividad
celular específica. Metabolismo diferenciado para poder sintetizar o
descomponer distintas moléculas necesarias para su función.
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El cuerpo humano contiene ____________________ de células casi
todas ellas son células diferenciadas o ____________________ . La
diferenciación celular es el ____________________ mediante el cual las células
adquieren ____________________ y estructuras adecuadas para realizar una
____________________ determinada .
En las primeras etapas de formación de un ____________________ , las células se
pueden diferenciar en ____________________ tipo de célula , pero según se van
produciendo más ____________________ celulares y el embrión va creciendo , las
células se van ____________________ y especializando más .
En el momento del
____________________ casi todas las células ya se han diferenciado , y sólo
pueden realizar una ____________________ , con ejemplo las células musculares ,
sanguíneas , ____________________ , epiteliales , etcétera .
Cuando las células diferenciadas de una persona adulta se dividen , sólo pueden
dar lugar al ____________________ tipo celular : las células musculares
únicamente generan más células ____________________ , pero ____________________
pueden producir otros tipos celulares , como ocurre en el embrión . Por eso no
es posible regenerar ____________________ dañados .
➢Preguntas:
Observan las siguientes imágenes, que muestran la forma de tres tipos de células del cuerpo humano y reflexionan mediante preguntas orientadoras sobre las posibles causas de dichas diferencias. ¿Por qué son distintas las células de mi cuerpo?
• ¿Qué funciones cumple cada una de las células de las imágenes
anteriores?
• ¿Qué factores determinan las
diferencias celulares en cuanto a estructura y función?
• ¿Qué tipo de relación se puede establecer entre la estructura y la función celular?
➢
¿Están presentes las células madre también en
los seres vivos que han finalizado su crecimiento?
¿Por qué si tenemos el mismo origen, desarrollamos diversos tipos celulares?
➢ Responde:
¿Cuál es el origen
de las células de un organismo?
¿Por qué, si
provenimos de una única célula, se van generando diferentes tipos de ellas a
medida que nos desarrollamos?
Video: L’odyssée de la vie
de Nils Tavernie.
Investiga sobre el proceso de expresión genética en organismos eucariontes.
Concretar la investigación en una presentación, usando los medios de que dispongan.
Ten en cuenta: El lenguaje y vocabulario científico apropiado.
Y cita al menos tres fuentes confiables con autor, mediante formato APA por ejemplo.
Como conclusión de esta unidad lee el artículo:
La clave del desarrollo del embrión está, en la diferenciación celular.
La clave del
desarrollo del embrión está, en la diferenciación celular.
Dentro de la
gran variedad de campos que encierra la biología existe en
particular una que, por su naturaleza, complejidad e implicaciones, es
realmente fascinante la diferenciación celular.
¿Cómo es
que a partir de una sola célula —óvulo fecundado o cigoto— se origina un
organismo tan complejo como un árbol, un pez o un ser humano? ¿Por qué?,
si nuestras neuronas y las células de nuestra piel contienen la misma
información genética en sus respectivos núcleos, son morfológica y
funcionalmente tan diferentes? ¿Cómo “sabe” una célula eritroide cuándo
debe empezar a sintetizar hemoglobina y cuándo debe dejar de
hacerlo? Preguntas como éstas han sido formuladas por hombres de ciencia
desde há tiempo. Con los avances alcanzados hoy día en áreas como la
bioquímica, biología celular y biología molecular, se ha dado respuesta a
varias de ellas, sin embargo, conforme nos introducimos en este campo son más
los cuestionamientos surgidos que las respuestas encontradas.
El objetivo
fundamental del presente artículo no es exponer con detalle los modelos
propuestos para explicar la diferenciación celular, pues ello requeriría no
una, sino varios artículos. En realidad, intentamos presentar un
panorama general desde nuestro muy particular punto de vista sobre este
interesante tema, buscando que el presente artículo sirva, de alguna manera,
a gente interesada en el estudio de la biología.
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Etapa en el
desarrollo de una hueva de rana. |
Una visión
histórica
Mucho antes de
que el hombre supiera algo acerca de las células, y mucho menos algo acerca
de las moléculas, ya estaba familiarizada con uno de los misterios más
tangibles de la naturaleza: un huevo, tan sencillo en apariencia pero capaz
de producir un organismo vivo. , completo y perfecto en cada uno de sus
detalles y de una complejidad difícil de imaginar.
Es probable que
desde el momento en que el hombre colocó huevos de gallina en incubadoras
artificiales (y esto nos remonta a hace varios siglos) se le ocurriese
abrirlos de vez en cuando y observar así el sorprendente espectáculo de la
transformación del huevo en pollito. Incluso Aristóteles describió un
hecho importante: la cabeza del embrión se desarrolla más de prisa que su
cola. Desde ese momento, un fenómeno que hasta entonces había sido
considerado como algo muy normal y bastante común, tomó particular relevancia
despertando enorme interés entre las generaciones siguientes; el hombre
había descubierto que el desarrollo de la polla se inicia aún antes de que
éste nazca.
Poco a poco los
estudias con embriones de aves fueron haciéndose más intensos y profundos, de
tal forma que lo denominado como embriología descriptiva y comparativa tuvo
un gran desarrollo durante los siglos XVIII y XIX. A principios del
presente siglo, y sobre toda la década de las treinta, el crecimiento
embrionario además de ser analizado desde el punto de vista morfológico,
comenzó a estudiarse bajo los conceptos de la química, lo cual trajo consigo
descubrimientos sorprendentes. Para entonces, además de los huevos de
aves, se utilizaron también los de erizo de mar y anfibios (particularmente
rana), lográndose así describir y caracterizar diferentes etapas dentro del
desarrollo embrionario y algo aún más prodigioso, se encontraron grandes
semejanzas en el desarrollo prenatal. de distintas especies animales.
Toda la
información que se fue obteniendo al respecto a partir de la profusión de
experimentos realizados, condujo a un postulado fundamental: la clave de la
embriología radica en la diferenciación celular, esto es, el secreto está en
conocer de qué manera una célula se diferencia. de otras y logra
especializarse para llevar a cabo funciones particulares ya raíz de tal
aserto muchas de las investigaciones subsiguientes ya no tomaran coma unidad
de estudio a todo el embrión, sino a la propia célula, buscando encontrar en
ella respuestas a las preguntas planteadas mucho tiempo atrás.
Cuando se
iniciaron los primeros experimentos sobre diferenciación celular, los
conocimientos que se tenían sobre la morfología y fisiología de la célula
eran lo suficientemente amplios como para orientar los estudios hacia conocer
los posibles papeles del núcleo, el citoplasma y el medio extracelular en
este proceso.
Uno de los
primeros pasos consistió en encontrar un tipo celular apropiado que sirviera
como modelo o sistema experimental. Así, algunos investigadores
continuaron enfocado su atención al óvulo fecundo (cigoto), mientras que
otros decidieron emplear otros tipos celulares como fibroblastos, células
epiteliales, musculares, hematopoyéticas, pancreáticas, etc. Incluso, más
recientemente se han hecho estudios en ciertos hongos y, Sorprendentemente,
en algunos organismos procariontes, ya se ha considerado a la esporulación
bacteriana como un sistema de diferenciación “simple”. La gran variedad
de sistemas de estudio ha enriquecido enormemente el conocimiento actual
sobre la diferenciación celular, pues en general los resultados obtenidos en
una de ellos confirman, complementan o aclaran los obtenidos en otros.
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A finales del
siglo XIX se hicieron estudios comparativos sobre el desarrollo
embriológico de diversos organismos. |
Los
experimentos de Briggs, King y Gurdon en los años 50 y 60 arrojaron un
importante caudal de información al respecto. Lo que estos
investigadores hicieron fue trasplantar el núcleo de una célula intestinal de
rana a un óvulo no fecundado de la misma, cuyo núcleo había sido previamente
eliminado; una vez logrado esto, el óvulo comenzó a dividirse y
desarrollarse hasta dar origen a un renacuajo normal, y éste a una rana
madura. Posteriormente se realizaron experimentos similares empleando
otros tipos celulares del mismo organismo como donadores de núcleos y el
resultado fue muy parecido. Tales experimentos condujeron a postular
que: 1) todas las células de un organismo contienen la misma información
genética en sus núcleos; 2) la diferenciación y especialización celular
es un problema de regulación génica y no de ganancia a pérdida de
genes; 3) el citoplasma y probablemente el medio extracelular, son
factores que influyen en la expresión de los genes. En consecuencia el
siguiente paso fue tratar de establecer con detalle los factores y mecanismos
involucrados en la regulación de la expresión génica.
La expresión
génica y la diferenciación celular.
A
principios del presente siglo, Dienert demostró que en la levadura, las
enzimas responsables de la utilización de la lactosa son sintetizadas, sólo
cuando este azúcar está presente en el medio nutritivo; es decir, la
célula no gasta su energía en producir enzimas que no le son
necesarias. De esta forma quedó establecido que las células de levadura
poseían la capacidad de regular la producción de sus enzimas, capacidad que
—se pensó— debería poseer toda la célula. Sin embargo, no se pudo dar
una explicación más amplia sobre el fenómeno por una razón muy sencilla: la
síntesis de cualquier enzima es un proceso que involucra al material genético
de la célula y en aquel entonces éste no era conocido.
Años más tarde,
los trabajos de Avery, Macleod y McCarty en 1944 y de Hershey y Chase en
1952, demostraron que el material genético es el ácido desoxirribonucléico
(ADN). Paralelamente, los estudios encaminados a conocer la estructura
del ADN alcanzaron resultados impresionantes que culminaron con el modelo de
la doble hélice propuesto por Watson y Crick en 1953. Lo anterior trajo
consigo grandes avances, de tal manera que se pudo empezar a dar respuesta a
la pregunta ¿cómo regula la célula la síntesis de sus enzimas?
En 1961, F.
Jacob y J. Manad, utilizando como sistema de estudio a la bacteria Escherichia
coli , propusieron un modelo que explicaba detalladamente el mismo
fenómeno observado por Dienert años atrás, el modelo del Operón. De
acuerdo a éste, el genoma bacteriano tiene dos tipos de genes: los
estructurales y los reguladores. Los primeros son aquellos cuya
información determina la estructura primaria de proteínas
específicas; mientras que los genes reguladores son los que, de acuerdo
a señales particulares, determinan que uno o varios genes es estructurales
sean o no transcritos. Por ejemplo: cuando la lactosa no está en el
medio, los genes estructurales de las enzimas involucradas en la degradación
de dicho azúcar no son transcritos, por esta presente un represor (proteína
codificada por el gen regulador). Ahora bien, cuando la lactasa si está
en el medio, el represor está inactivado y los genes estructurales
transcritos.
Más
recientemente ha sido propuesto otro modelo para explicar la regulación
génica en procariontes: el modelo de atenuación, el cual ha sida involucrado
en las vías biosintéticas de enzimas que intervienen en la producción de
aminoácidos como histidina y triptófano. Es importante destacar que este
modelo no reemplaza al de Jacob y Monod, sino que, de acuerdo a las
evidencias que se tienen, ambos mecanismos están presentes en la regulación
de los genes bacterianos, aunque no necesariamente actúan sobre los mismos
genes.
Los trabajos
anteriores, llevados a cabo por Jacob y Monod (Operón Lac) y
Ch. Yanofsky y colaboradores (modelo de atenuación) reafirmaron que: 1)
efectivamente, la célula es capaz de regular la producción de los tipos y
cantidades de proteínas que requiere, y 2) el ambiente extracelular tiene
influencia en dicha regulación.
Ahora bien, para
explicar la regulación de la expresión génica en células eucariontes
(nucleadas), la empresa se presenta más difícil, pues existen grandes
diferencias con respecto a las células procariontes, que hacen al genoma
eucarionte; bastante más complejo. Mencionaremos a continuación
algunas de ellas:
— La cantidad de
ADN en células eucariontes es mayor (de 2 a 5 órdenes de magnitud) que en
células procariontes.
— El genoma eucarionte se encuentra dividido en varios cromosomas, mientras
que el genoma bacteriano presenta una sola cromosoma circular.
— La diploidía solamente se presenta en células eucariontes.
— En los organismos procariontes, la transcripción y traducción del ADN son
procesos simultáneos, mientras que en eucariontes están separados espacial y
temporalmente.
— El ADN de los eucariontes está asociado a proteínas, histonas y no
histonas, que juegan papeles importantes en su arreglo espacial, su
replicación y su transcripción.
Pese a todo lo
anterior, no hay que perder de vista que las, mecanismos enzimáticos básicos
para la replicación, transcripción y traducción del ADN en procariontes y
eucariontes son muy similares.
En 1969, Britten
y Davidson propusieron un modelo para explicar la regulación génica en
eucariontes. Según éste, el genoma, eucarionte contiene varios “sitios
sensores” que pueden reconocer a distintos agentes, como: inductores
metabólicos, inductores de receptores hormonales, o bien, nucleótidos
reguladores. Cuando el agente inductor se une al sitio censor, provoca
que un gen adyacente a este último (gen integrador) origina una molécula de
ARN (activador) que puede unirse a distintos sitios llamados “receptores”,
las cuales pueden estar en el mismo cromosoma o en otro. La unión de ARN
activador al sitio receptor provoca que se inicie la transcripción de los
genes estructurales adyacentes a éste.
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La
hematopoyesis es un caso particular de diferenciación celular bastante
interesante, en el que a partir de un tipo celular determinado (denominado
CF-ULM) tienen su origen los Linfocitos (L), Monocitos (L), Plaquetas (P),
Eritrocitos (E ) y Granulocitos. |
Ahora bien,
aunque en términos generales el modelo parece lógico, la gran cantidad de
evidencias obtenidas en los últimos quince años indican que la regulación de
la expresión génica en eucariontes es mucho más compleja de lo que dicho
modelo sugiere.
Diversos
estudios han demostrado que solo una porción de todo el ADN presente en el
genoma eucarionte es expresado, ello es, existe una gran cantidad de material
genético del que se desconoce su función precisa. Es interesante el hecho de
que al comparar la cantidad de ADN presente. en el núcleo de una célula de
organismos como la rana o el sapo, 15.7 X 10 –9 mg y
7.3 X 10 –9 mg respectivamente, resulta ser mayor
que la presente en el núcleo de una célula de humano (6.0 X 10 –9 mg).
A nivel de
microscopio electrónico, ha podido observarse que existen regiones de la
cromatina (material intranuclear compuesto por ácidos nucleicos y proteínas)
cuyo aspecto es muy denso, mientras que otras son bastante
claras. Usando marcadores radiactivos se ha demostrado que las zonas
densas son transcripcionalmente inactivas y se les ha denominado
heterocromatina. Por su parte, las zonas claras muestran actividad de
transcripción (síntesis de ARN mensajero) y constituyen la
Eucromatina. La cantidad de ambas formas de cromatina en el núcleo de
una célula depende del tipo celular que se trata, del estado metabólico y del
grado de diferenciación.
Interactuando
fuertemente con el ADN se encuentran cinco tipos de proteínas básicas
denominadas histonas. Cuatro de ellas forman un complejo octamérico que
se asocia a las cadenas de ADN constituyendo el Nucleosoma; el quinto
tipo de histona pudiera desempeñar el papel de “seguro”, aparentemente
reforzando la unión del complejo proteínico y el ADN. Aunque su papel es
fundamentalmente estructural se antoja pensar que las histonas podrían
intervenir en la regulación de la expresión genética, sin embargo, no se sabe
con exactitud de qué manera lo hacen.
En el núcleo
celular existen, además, las no histonas, cuya variedad de proteínas es mucho
mayor que las histonas. Dentro de ellas se encuentran las proteínas que
constituyen los complejos enzimáticos para la replicación y transcripción del
ADN; Existen también varios tipos de proteínas contráctiles que actúan
durante la división celular. Es importante recordar que últimamente se
han encontrado bastantes más tipos de proteínas no histonas, cuyas funciones
—aunque no son bien conocidas— podrían estar implicadas en la regulación
génica.
Estudios
recientes realizados en distintos tipos celulares, han demostrado que la
expresión de los genes en eucariontes puede verse regulada por modificaciones
covalentes en los distintos componentes de la
cromatina; particularmente, se ha observado que existe una relación
inversa entre la metilación del ADN y la expresión génica, esto es, ciertas
secuencias del genoma eucarionte cuando se encuentran metiladas no son
transcritas.
La regulación de
la expresión génica en eucariontes puede ocurrir también a nivel
post-transcripcional es decir, una vez que ya ha sido sintetizada la molécula
de ARN mensajero, pues se sabe que ésta sufre cambios antes de salir al
citoplasma, como la adición de CAP. en el extremo S' y de poli A en el
extremo 3'; También se ha probado que el ARNm recién sintetizado es fragmentado,
quedando excluidos ciertos segmentos denominados intrones (que no serán
convertidos). Incluso, la envoltura nuclear parece estar involucrada en
la regulación post-transcripcional, ya que algunos estudios han confirmado
que el número de poros, por unidad de área de dicha envoltura, está en
relación directa puede la actividad transcripcional de la célula, y hay que
Recuerde que es precisamente a través de esos poros por los que pasa el ARNm
hacia el citoplasma para su posterior traducción.
Hasta aquí hemos
mencionado únicamente algunos factores y niveles de organización estructural
intranucleares involucrados en la regulación de la expresión
génica; ahora es necesario recalcar que toda la actividad que se efectúa
dentro del núcleo y cuyo resultado es que ciertos genes se expresan y otros
no, está sujeta a la presencia y acción de moléculas que provienen del medio
extracelular. Dichas moléculas inductoras son generalmente proteínas
producidas en células específicas y con características de cada órgano,
pudiendo consumir su acción lejos del sitio donde fueron producidas. Por
ejemplo, la eritropoyetina es una proteína inducida principalmente en el
riñón y que desempeña su actividad en la médula ósea, regulando la
diferenciación de las células eritroides.
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¿Cómo es qué a
partir de un óvulo fecundo se origina un organismo tan complejo como el ser
humano? |
Es evidente
entonces, que la diferenciación celular resulta un proceso verdaderamente
complejo, debido a los muchos y muy variados factores y mecanismos que,
actuando de manera conjunta, están involucradas en él. Actualmente
diversos laboratorios del mundo interesados en este problema practican investigaciones, valiéndose para
su estudio de distintas líneas celulares, como: células musculares,
epiteliales, nerviosas, germinales, hematopoyéticas, etc.
Aunque hablar
sobre las implicaciones que tiene el estudio de la diferenciación celular
podría ser tema de otro artículo, solamente quisiéramos mencionar que existen
ciertas enfermedades de difícil curación en la actualidad, tales como la
anemia aplástica, algunos tipos de cáncer y malformaciones ocurridas durante
el desarrollo. prenatal, cuyo origen se debe a alteraciones en los mecanismos
de diferenciación celular.
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El estudio de
la diferenciación celular puede ser la clave para resolver problemas tan
complejos, como el cáncer. |
Conferencias recomendadas
1. Branchet, J. (1975). Introducción a la
embriología molecular. H. Blume Edic. Madrid, España.
2. Fischberg. M. y Blackler. R. (1961). Cómo se especializan
las células. Ciencia. Soy. (septiembre).
3. Gurdón. JB (1968). Núcleos trasplantados y diferenciación
celular. Ciencia. Soy. (dic.).
4. Wolpert. L. (1978) Formación de parejas en el desarrollo
biológico. Ciencia. Soy. 239 (4).
5. Jacobsen. AG (1966). Procesos introductorios en el desarrollo
embrionario. Ciencia 152:25-34.
6. Felsenfeld. H. y Mehhee. J. (1952). Metilación y control
genético. Naturaleza 296:602-603
7. Balinsky. B. I. (1981). Una introducción a la
embriología. Sanders College Publishing, EE.UU.
8. Goldwasser. E. (1975). Eritropoyetina y diferenciación de
glóbulos rojos. Alimentado. Proc. 34: 2285-2292.
9. Alberto. B. et. Alabama. (l983) Biología molecular de la
célula. Garland Publishing Inc. EE.UU
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