GENÈTICA MOLECULAR

Internet és una gran font de coneixement. De fet, podeu consultar-hi dos dels llibres més populars sobre biologia molecular que són estudiats en la majoria de les Universitats del món. El seu contingut (en anglàs, com no) no apareix de forma directa, però apareix l'índex de continguts i figures. Solament cal copiar el nom del capítol en la finestra de SEARCH.

Potser no utilitzeu aquests enllaços ara, però si alguna vegada estudieu biològiques, us seran mot útil:

* Molecular Cell Biology (Lodish et al.)
* Molecular Biology of the Cell (Alberts et al.)

 

WEBS DE CONSULTA

 

 

L'ADN, MOLÈCULA PORTADORA DE L'HERÈNCIA

Actualment sabem que l'ADN és la molècula portadora de la informació genètica (a excepció alguns virus, com veurem més endavant). No obstant això, aquesta afirmació va ser demostrada arràn de la tasca d'investigació de molts científics durant la primera meitat del segle XX.

La molècula portadora de la informació genètica:

Així doncs, havia dos grans tipus de molècules candidates a ser la molècula portadora de la informació genètica: proteïnes i àcids nucleics (ADN o ARN). Les experiències d'Avery, McLeod i McCarthy en 1944 i de Hersley i Chase en 1952 demostaren que era l'ADN la "molècula de la vida"

 

Experiència d'Avery, McLeod i McCarthy (1944)

Aquesta experiència es basava en uns experients anteriors realitzats en el bacteri Streptocosccus pneumoniae per F. Griffith en l'any 1928 la descripció dels quals podru trobar en aquesta entrada de la wikipèdia.

Anys després,en 1944, tres investigadors, O.Avery, M. McCarthy i C. McLeod, identificaren el factor de transformació que feia possible que els bacteris R es transformaren en bacteris S virulents. L'experiència la teniu descrita en aquesta pàgina.

Si voleu acabar d'entendre aquestes experiències, entreuen la web DNA: from the beggining que us les presenta en forma d'unes fantàstiques animacions. No us oblideu pe passar el cursor per damunt dels tubs d'assaig quan us ho demanen, ja que veureucom els enzims degraden les diferents molècules candidadtes a ser les portdoresde l'herència biològica

 

Experiències de Hersley i Chase (1952)

La prova definitiva la van obternir el 1952 alfred Hersley i Martha Chase que van demostrar de forma concloent que l'ADN i no una proteïna o l'ARN, era el material genètic del bacteriòfag T2.

En aquesta pàgina tens una senzilla explicació de l'experiència en castellà

 

Animació de l'experiència de Hershey i Chase

Fixeu-vos que només quan s'han marcat els virions amb 32P la radioactivitat es troba dins el bacteri, el que demostra que només l'ADN ha passat a l'interior del bacteri. En aquestes condicions el virus es replica a dins la cèl·lula, el que demostra que la molècula d'ADN és suficient per a dirigir la producció de nous virions; és a dir, transporta la informació genètica.

Quan es marca la càpsida amb aminoacids que contenen 35S, la radiactivitat no penetra dins el bacteri, el que vol dir que totes les proteïnes del virió queden fora i no tenen res a veure amb la replicació del virus. Les proteïnes no són portadores de informació genètica.

LES MUTACIONS

Per començar, observeu amb detall aquesta animació que ens parla del concepte de mutació, les seues causes, els tipus de mutacions i les seues conseqüències.

A continuació teniu una presentació PowerPoint realitzada pels professors del centre "La Salle" de Manresa on podreu estudiar f¡acilment els principals continguts de les mutacions. La presentació comença amb un repàs de la replicació de l'ADN. Les mutacións estan explicades a partir de la diapositiva16.

En aquesta pàgina web de la Universidad Complutense de Madrid teniu una informació més completa alhora que esquematitzada.

 

UNA PROTEÏNA UN GEN: CONCEPTE DE GEN

 

Experiencies de Beadle i Tatum explicades en un animació de la web DNA: From the beginning

 

 

Regulació gènica

 

Animació de McGraw Hill sobre l'operó

 

 
 

 

Alteracions del material genètic: Les mutacions

Concepte de mutació.

Les mutacions són canvis o variacions del material genètic que apareixen espontàniament o bé són induïdes per agents mutàgens. Als organismes superiors, amb reproducció sexual, només són heretables quan afecten les cèl·lules germinals.Si la mutació es refereix a un caràcter dominant es localitza amb facilitat; si afecta a un caràcter recessiu és més dificil de detectar, ja que només es manifesta en homozigosi recessiva.

Tipus de mutació

* Puntuals o gèniques: Afecten la composició d'un o diversos nucleòtids que componen el gen.

* Cromosòmiques: Es produeixen per alteració de la seqüència normal dels fragments gènics que formen el cromosoma

* Genòmiques: Afecten el genoma i donen lloc a la variació del nombre de cromosomes.

Mutacions puntuals

Quan vam parlar del mecanisme de replicació de l'ADN destacàrem la seua gran exactitud i l'existència d'una activitat autocorrectora per part dels enzims que formen part de la replicació. Tot i així, es comet un error d'aparellament per cada deu milions de bases. Posteriorment a la replicació, existeix una màquina enzimàtica que corregeix els possibles errors comesos per l'ADN polimerasa en l'ADN acabat de replicar (correcció post-replicativa), amb la qual cosa l'exactitud de la rèplica arriba a la increïble perfecció d'un error per cada deu mil milions de bases (10 e 10). Tot i els sistemes de correcció que acabem de citar, de tant en tant es produeix algun error en la rèplica, bé perquè col·loca una C en lloc d'una T o perquè el mecanisme de replicació se salta algunes bases.

Pot passar que aquesta mutació afecte a una zona intrònica, o qualsevol altra no essencial de l'ADN; en aquest cas no té conseqüències sobre la cèl·lula. Però si es dóna en una zona exònica (codificadora), comporta una alteració en la seqüència del gen, que es tradueix posteriorment en una modificació de la seqüència d'aminoàcids de la proteïna que codifica.

Les mutacions gèniques poden aparèixer espontàniament o ser induïdes per determinats agents físico-químics anomenats mutàgens. En alguns casos la mutació és compatible amb la vida com per exemple el cas de l'albinisme, que apareix als individus que no poden sintetitzar la melanina perquè una mutació inactiva un dels enzims responsable de la síntesi d'aquest pigment. Altres vegades, la mutació afecta una proteïna que participa en un procés imprescindible per a la vida i, per tant, la seua inactivació provoca la mort de l'individu (mutacions letals) Per últim, determinades mutacions provoquen una millora del gen (mutació favorable), ja que fa que la proteïna millore l'activitat que desenvolupa o puga realitzar-ne noves. En aquests casos, essencials per a l'evolució de les espècies, els individus portadors de la mutació tenen avantatges adaptatius sobre els seus congèneres; això fa possible que el gen mutat, amb el temps, i gràcies a la selecció natural, substituesca el gen originari en la major part de la població. La mutació, ja ho hem comentat és una font de variabilitat genètica.

Es poden distingr dos tipus de mutacions gèniques:

a) Mutacions per substitucions de parells de bases. Són canvis d'un parell de bases per un altre. Si es substitueix un par pirimidina-purina per altre, es denomina transició.Exemple: A=T per C=G.Això és degut a canvis en la posició dels àtoms de les bases nitrogenades, tot originant formes tautomèriques que ja no s'aparellen en les seues bases complementàriesm sino amb altres Si es substitueix un par pirimidina-purina per un de purina-pirimidina, s'anomena transversió. Exemple A=T per T=A.La seua aparició està relacionada amb l'aparició de buits provocats per la formació de dímers -unions entre dos timines consecutives- en la cadena parental. Aquests buits són omplerts a l'atzar en la cadena en construcció. La substitució provoca l'alteració d'una única tripleta, fet que no afecta l'ordre de lectura de la resta de tripletes. Únicament es modifica un aminoàcid de la proteïna resultant, per la qual cosa no solen resultar perjudicials.

b) Mutacions per corriment de l'ordre de lectura. Aquestes mutacions són degudes a la incorporació (adiccions) o pèrdua (deleccions) d'un parell o més de bases nitrogenades. Com el missatge genètic es tradueix per tripletes, aquests canvis provoquen un corriment en l'ordre de lectura i , per tant, alterar un gran nombre dels aminoàcids que formen la proteïna. Les seues conseqüències són greus.

 

Mutacions cromosòmiques

Com hem vist abans, responen a l'alteració de la seqüència dels gens dins d'un cromosoma. Moltes d'elles són observables al microscopi, ja que poden ser localitzades mitjançant la tècnica de bandeig cromosòmic. N'hi ha diferents tipus:

* Inversions.

Es tracta d'un canvi de sensit d'un fragment en un cromosoma, és a dir, quan un fragment cromosòmic gira 180º respecte a la seua orientació normal.

* Delecció o deficiència .

És la pèrdua d'un fragment de cromosoma. Si el fragment conté molts gens, la delecció pot tenir conseqüències greus i, fins i tot letals.

* Duplicació.

És la repetició d'un segment d'un cromosomaLa rèplica prové de la delecció d'un altre.

* Translocacions. És un canvi de localització d'un fragment cromosòmic. Si és recíproca s'origina per l'intercanvi de segments entre dos cromosomes no homòlegs; si és no recíproca, un segment d'un cromosoma se situa en altre cromosoma no homòleg o en el matix cromosoma. Això no té conseqüències per a l'individu que sofreix la translocació ja que no suposa guanys ni pèrdues de material genètic, tot i que pot afectar la seua descendència (individus amb deficiències o duplicacions no viables)

fig, 14.15Mutacions cromosòmiques

 

.Mutacions genòmiques (canvis del nombre de cromosomes)

** Fusió cèntrica: És la unió de dos cromosomes no homòlegs, amb pèrdua del centròmer d'un d'ells. un exemple el tenim en el cromosoma 2 dels humans que prové de la fusió de dos cromosomes dels ximpancés. L'Homo sapiens en té 23 parells, mentre que els ximpancés en tenen 24 parells.

** Fisió cèntrica És l'escissió d'un cromosoma en dos. Comporta l'aparició d'un nou centròmer

**Poliploïdia Consisteix en un increment de la condició diploide (2n) per un augment del nombre de "jocs complets" de cromosomes: triploides (3n) , tetraploides (4n) , etc. originats per alteracions mitòtiques o meiòtiques.

Podem distingir dos casos:

**Haploïdia Són mutacions genòmiques que impliquen una pèrdua de jocs cromosòmics. Es manifesta als organismes partenogenètics que s'originen a partir d'òvuls no fecundats d'organismes diploides, com per exemple les abelles

** Aneuploïdia Es produeix quan un individu presenta accidentalment algún cromosoma de més o de ménys, sense que s'arribe a aconseguir la dotació d'un "joc complet":

  • Disomia (diploide normal) 2n
  • Monosomia 2n -1
  • Nul·lisomia 2n - 2
  • Trisomia 2n +1
  • Tetrasomia 2n+2

Aquestes alteracions solen ser ocasionades per errades en la separació dels cromosomes homòlegs durant la meiosi. En l'espècie humana apareixen espontàniament alteracions de tipus aneuploide que poden afectar autosomes o els cromosomes sexuals. Heus aci alguns exemples: El síndrome de Down o mongolisme és degut a una trisomia del parell cromosòmic 21 (47 cromosomes). Els individus que ho pateixen presenten retard mental, ulls oblics (axinats), pell rugosa, creixement retardat etc. La seua freqüència d'aparició és de 1/ 700 naixements vius. La seua incidència augmenta amb l'edat de la mare, especialment a partir dels 35 anys. La trisomia és provocada per la no disjunció en la primera mitosi de la meiosi del parell homòleg 21, de manera que una cèl·lula filla haploide (gàmeta) presenta 2 cromosomes 21 i l'altra cap.

El síndrome de Klinefelter (44 autosomes + XXY) afecta als cromosomes sexuals i origina individus masculins estèrils, aspecte eunocoide, retard mental , etc. Altres aneuploïdies relacionades amb els cromosomes sexuals són el síndrome de Turner (44 autosomes + X) dones d'aspecte homenenc, amb ovaris atrofiats, nanisme i el síndrome duplo Y (44 autosomes + XYY) hòmens d'estatura elevada, personalitat infantil, coeficient intelectual baix i, segons alguns estudis, tendència a l'agressivitat i al comportament antisocial. espAi per a un parell de cariotips

Fig. 14.18. Cariotip d'una dona normal i d'una dona amb síndrome de Down

 

Agents mutàgens

L'ADN és un compost químic que es troba contínuament sotmés a les agressions de substàncies químiques o d'agents físics dels seu entorn cel·lular capaços d'originar mutacions espontànies: són els mutàgens naturals. La natura no és però, la única responsable de les mutacions. La tectonologia actual, juntament amb diversos hàbits actuals han incrementat el nombre d'agents mutàgens: tabac, alcohol, additius alimentaris, energia atòmica, pesticides etc. En detaquem uns quants:

* Efecte de la temperatura: provoca el trencament de l'enllaç entre les bases púriques i la desoxiribosa.

* Radiació ultraviolada: Provoca la formació d'un enllaç covalent entre dos bases pirimidíniques consecutives (dímers de T o de C). Com a conseqüència d'això es trenquen els ponts d'hidogen que les unien amb les seues bases complementàries, es desorganitza la doble hèlix i s'afavoreixen errors en la replicació

* Metabòlits reactius : Alguns metabolits residus del metabolisme són altament reactius i contribueixen amb l'edat a l'increment d'alteracions gèniques, que es manifesten en el deteroriorament progressiu dels mecanismes de replicació, reparació i transcripció de l'ADN.

* Radiacions ionitzants. Amb aquest nom es coneixen determinades radiacions electromagnètiques d'ona curta com els raigs X i els raigs ? , que quan col·lisionen amb àtoms i molècules que troben en la seua trajectòria els transformen en ions i radicals molt reactius, capaços d'atacar nombroses molècules entre les quals està l'ADN. Quan un organisme s'exposa a una dosi elevada, es mor. Si la radiació és menor, les mutacions induïdes al seu ADN poden ocasionar l'aparició d'un tumor cancerigen. També pot tenir aplicacions beneficioses com és el cas de la ràdioteràpia (radiació ? ) que s'utilitza per destruir selectivament cèl·lules canceroses.

* Radiació corpuscular (partícules ? i ?). Aquestes partícules s'emeten en els processos de desintegració d'isòtops radioactius i els seu efectes sobre l'ADN són semblants al de les radiacions ionitzants.Tot i l'existència de radioactivitat natural (roques plutòniques) el risc més gran d'exposició es troba a les centrals nuclear (recordeu Txernòbil) o les armes nuclears

* Substàncies químiques. Nombrosíssimes substàncies provoquen canvis a l'ADN, fonamentalment transició de bases (sustitució de la parella A-T per la parella G-C o per la introducció o pèrdua d'alguna base. Entre els mutàgens químics més coneguts destaquem el benzopirè i altres hidrocarburs policíclics, l'acid nitrós, el gas mostassa, etc.

 

Concepte de Gen

 

En general es pot considerar que un gen és un segment d'ADN que conté la informació necessària perquè, mitjançant la transcripció i la traducció, se sintetitze una proteïna determinada. No tots els gens emmagatzemen informació sobre proteïnes; alguns sols es transcriuen (i no es tradueixen), ja que només són portadors d'informació per a la síntesi de determinats tipus d'ARN, com l'ARNt i ARNr,o bé pertanyen a zones intròniques en el cas d'eucariotes. Primerament es va definir gen com una regió del material genètic que dóna lloc a un caràcter fenotípic definible.

A partir dels anys 40 els experiments de Beadle i Tatum demostraren que la majoria dels gens corresponien a una zona del genoma responsable de la síntesis d'un enzim : hipòtesi un gen, un enzim. Expreriències de Beadle i Tatum Beadle i Tatum es plantejaren analitzar els efectes bioquímics dels gens. Treballaren amb el fong comú del pa, Neurospora crassa , les necessitats del qual per poder viure són mínimes: necessita aigua, sals minerals, glucosa, compostos amoniacals i biotina (vitamina B8); amb aquest medi, anomenat mínim, el fong pot sintetitzar la resta de les molècules que necessita. Van irradiar el fong amb raig X per induir mutacions. Posteriorment sembraren les espores dels fongs irradiats (s'esperava que algunes foren mutants) en un medi complet amb vitamines, nucleòtids, aminoàcids, etc. Els fongs que creixien en aquest medi foren sembrats en medis mínims i en medis mínims suplementats amb un determinat compost (riboflavina, triptòfan, adenina, etc). Si el fong no creixia en el medi mínim i sí ho feia en el medi complementat amb adenina, per exemple, indicava que la mutació afectava la síntesi d'aquesta molècula. D'aci va sorgir la hipòtesi un gen , un enzim. Aquest enzim intervé en un pas de la via metabòlica que acaba en la formació d'aquesta molècula (en aquest cas l'adenina). Beadle i Tatum demostraren també que aquesta mutació tenia origen nuclear, ja que si encreuaven els fongs mutats amb fongs normals, part de la seua descendència també presentava la mutació .

 

fig. 14.19 Experiències de Beadle i Tatum

Com que hi ha enzims que tenen més d'una cadena polipeptítica en la seua estructura, la hipòtesi es va reformular com un gen, una cadena polipeptídica. El descobriment dels gens fraccionats a la fi dels 70 podia ser compatible amb la definició original de gen, però ara sabem que algunes seqüències d'ADN, a causa de la maduració de l'ARN (transcrit primari) , participen en la producció de com a mínim 2 molècules diferents d'ARNm i per tant de 2 o més cadenes polipeptídiques .

Com definir, donc , un gen ? Sembla que la millor manera continua essent la de un gen , una cadena polipeptídica. Colinealitat gen- proteïna. veure l'exemple de l'anèmia falciforme

.Regulació de l'expressió gènica

Les cèl·lules no estan sintetitzant contínuament tots els tipus de proteïnes sobre els quals tenen informació; això produiria un caos metabòlic: cal, doncs, que hi haja un mecanisme de regulació gènica. Aquest mecanisme també pot explicar un procés tan important com el de la diferenciació cel·lular: els organismes pluricel·lulars estan constituïts per milions de cèl·lules procedents per mitosi del zigot i , per tant, amb la mateixa informació genètica. Com és possible que després presenten diferents tipus (teixits) amb una morfologia, estructura i funcionament tant diferenciats? La resposta està en el fet que cada tipus cel·lular utilitza únicament una part del seu genoma, mentre que la resta es troba reprimit (inactivat).

Regulació de l'expressió gènica als organismes procariotes

Al començament dels anys 60, F Jacob i J. Monod van proposar un model anomenat operó per a la regulació gènica dels bacteris. Un operó és un conjunt de gens que codifiquen proteïnes diferents implicades en processos bioquímics estretament relacionats; tots aquest gens es troben al cromosoma, uns al costat dels altres, amb la finalitat que la regulació de la seua expressió es faça de manera coordinada. En cada operó es diferencien dos classes de gens: Els gens estructurals que codifiquen la síntesi de proteïnes i el gen regulador que codifica la síntesi d'una proteïna repressora (que es pot trobar en forma activa o inactiva) i que és l'agent que controla l'expressió gènica. Jacob i Monod proposaren un mecanisme de regulació per a la utilització de la lactosa pel bacteri Escherichia coli .

Quan el bacteri creix en un medi que conté únicament glucosa, ho fa amb relativa facilitat; si el canviem per un medi on la font de carboni està constituïda per lactosa (disacàrid: glucosa + galactosa), els bacteris no són capaços en un primer moment d'aprofitar aquesta font de C, però responen prompte amb la inducció de la síntesi de ?-galactosidasa, ja que aquest enzim fa possible que la cèl·lula hidrolitze el disacàrid (inducció del gen estructural responsable de la síntesi de ?-galactosidasa). Si les cèl·lules induïdes tornen a cultivar-se en un medi amb únicament glucosa -situació on ja no és necessària la ?-galactosidasa- l'enzim deixa de ser sintetitzat (repressió enzimàtica). La inducció i la repressió són un reflex del principi d'economia cel·lular: els enzims sols se sintetitzen quan són necessaris.

Com es pot explicar això? Jacob i Monod, treballant amb bacteris mutants unicament afectats unicament en aquest caràcter, arribaren a la conclusió de que havia un gen regulador que dirigia la síntesi d'una proteïna repressora, la unió de la qual amb una seqüència específica de l'ADN anomenada operador inactivava la transcripció del gen estructural responsable de l'aparició de l'enzim. La regió de l'operador es superposava a una altra -promotor- on s'havia d'unir l'ARN polimerasa que dirigia la transcripció. Quan el repressor s'uneix a la seqüència de l'operador, bloca l'accés de l'ARN polimerasa i impedeix la transcripció de l'ADN on es localitza el gen estructural.

fig.14.20. Estructura de l'operó

La proteïna repressora de la transcripció de la lactosa està regulada, al seu torn, per una altra molècula de glúcid, l'alolactosa que és sintetizada quan hi ha lactosa a la cèl·lula. Si l'alolactosa arriba a una determinada concentració , indueix un canvi al·lostèric en la proteïna repressora, amb la qual cosa, aquesta se separa de la regió operadora de l'ADN i té lloc la transcripció. Es diu aleshores que el gen es troba desreprimit. Una alternativa de la regulació negativa (a la qual pertany l'exemple anterior) és el model de regulació per mitjà de proteïnes activadores de l'expressió gènica. Aquestes proteïnes faciliten la unió de l'ARN polimerasa a la regió promotora; en absència d'aquesta proteïna activadora no hi ha transcripció. En aquest cas també hi hauria una altra molècula (lligand) que regularia l'activitat de la proteïna activadora. Aquest mecanisme sembla que predomina a les cèl·lules eucariòtiques.

Regulació gènica en eucariotes

L'existència d'un procés de maduració de l'ARNm permet altres possibilitats de control de l'expressió gènica a banda del control de la transcripció. Un transcrit primari pot sofrir diferents tipus de talls i connexions de manera que poden originar diferents ARNm i, per tant , diferents proteïnes. De totes formes, la regulació gènica de les cèl·lules eucariotes inclou tipus de control que no es troben als bacteris i que responen al fet que el seu material genètic es troba molt més condensat i associat amb histones. La cromatina d'un gen eucariòtic ha de ser descondensada per a poder ser transcrita (recordem els conceptes d'eucromatina , heterocromatina, bucles, etc, ), i hom creu que les proteïnes reguladores de l'estructura cromatínica són la base d'un imoportant nivell

 

 

 

 

TORNAR A APUNTS DE BIOLOGIA