LA REVOLUCIÓ GENÈTICA – LA BIOTECNOLOGIA · TEMA 4. LES BASES DE LA GENÈTICA 1. Darwin i...
Transcript of LA REVOLUCIÓ GENÈTICA – LA BIOTECNOLOGIA · TEMA 4. LES BASES DE LA GENÈTICA 1. Darwin i...
LES BASES DE LA GENÈTICA
1. Darwin i Mendel2. Els àcids nucleics3. Els gens. El projecte genoma humà (PGH)
4. La biotecnologia5. La reproducció assistida. La clonació i la bioètica
1. DARWIN I MENDEL
• La herència “per la sang”• Darwin i les “gèmmules”• Mendel: fundador de la genètica clàssica
• Lleis de la herència• Els “caràcters” passen de pares a fills
CONCEPTES DE GENÈTICA
• GEN: fragment d’ADN que determinauna característica biològica
• AL·LEL: cada una de les variats quepot presentar un gen (caràcter). Percada gen l’individu té un parelld’al·lels. Es representen amb lletres(A, dominant; a, recessiu)
• GENOTIP: conjunts de gens d’unindividu
• FENOTIP: expressió externa delgenotip (ex. Color de la pell d’unpèsol)
• HOMOZIGOTS: quan un gen té dosal·lels iguals (AA, aa)
• HETEROZIGOTS: un gen té dosal·lels diferents (hídrids) (Aa).
Al·lel
Genetic makeup of an organism
determined by a pair of alleles.
Observable characteristics (green eyes, brown hair, purple flowers,
etc.)
COM S'HERETEN ELS CARÀCTERS?
La nova hipòtesi de Mendel va ser que els caràctersbiològics depenen de parelles de factors (un heretatdel pare i l'altre de la mare), que se separen quan elsindividus produeixen les cèl·lules sexuals i que espoden redistribuir a cada generació.
La resposta a aquesta qüestió la va donar, parcialment, el monjo Gregor Mendel a finals del segle
XIX.
GENÈTICA MENDELIANA1. L’HERÈNCIA D’UN SOL CARÀCTERGregor Mendel va començar fent encreuaments monohíbrids, queconsisteixen encreuar dues varietats pures, cadascuna de les qualspresenta una de les dues formes alternatives del caracter en estudi.
Primera llei: Llei de la uniformitat de la primera generaciófilial (F1)Abans de començar:Llavor llisa L (dominant: sempre es manifesta)Llavor rugosa l (recessiu: només es manifesta en absència del dominant)
-En aquest exemple el caràcter "forma de la llavor del pèsol" (llisa orugosa) és un cas d'herència dominant on el fenotip llis domina sobre elfenotip rugós. Això vol dir que la presència de l'al·lel dominant L enhomozigosi dominant (LL) o heterozigosi (Ll) és suficient per a que esmanifesti el fenotip llis; el fenotip rugós es mostra únicament quan l'al·lelrecessiu l es troba en homozigosi (ll).
• Mendel va encreuar la raça pura de pèsols de forma llisa amb pèsols de formarugosa, dues manifestacions diferents del mateix caràcter (la forma), queactualment anomenem fenotips antagònics (o són llisos o són rugosos). En vaobtenir una generació anomenada filial primera (F1), tota ella igual, uniforme, deforma llisa.• Llei de la uniformitat:• Quan s’encreuen dues races pures per un caràcter determinat, tots els descendents
són iguals entre si per aquest caràcter.
Segona llei . Llei de la segregació
"E l s dos fac to rs hered i ta r i s que in fo rmen sobre un mate ix caràc te rsón independents i se separen i e s repar te i xen ent re e l s descendents ,
to t apare l l ant-‐ se a l ' a t za r" .
Quan va encreuar les plantes F1 entre si, va obteniruna generació anomenada filial segona (F2), quepresentava tres individus amb la forma dels pèsolsllisa per cada individu amb pèsols rugosos, és a dir enuna proporció 3:1.D’això va deduir que la informació biològica de com és un ésser s’havia de trobar en els organismes per duplicat, ja que els individus de la F1, d’una banda, tenien la informació per produir el fenotip llis, ja que aquests el presentaven, i d’una altra, també tenien la informació per produir la forma rugosa, ja que alguns dels descendents el presentaven, i lògicament l’havien rebuda dels seus progenitors.Mendel va arribar a la conclusió que hi havia dos“factors hereditaris” (que actualment anomenemgens) per caràcter que durant la reproducció seseparaven (segregaven) i es combinaven a l’atzar, perconstituir una nova generació.
Llei de segregació:
Els dos factors hereditaris que informen sobre un mateix caràcter no es fusionen obarregen, sinó que queden diferenciats durant tota la vida de l’individu i sesegreguen, és a dir, se separen i es reparteixen, en el moment de la formació delsgàmetes.
Mendel usava el terme “factor hereditari” (actualment, gen) per referir-se acadascuna d’aquestes informacions. Llavors encara no se’n coneixia ni la naturalesaquímica ni se sabia a quina part de la cèl·lula es trobaven aquests factors hereditaris.
El que Mendel va demostrar és que cada organisme posseïa dos factorshereditaris per a cadascun dels caràcters, un d’heretat d’un progenitor i l’altre del’altre.
Com que els individus de la F1, malgrat tenir els dos tipus de factors hereditaris (elfactor que informa sobre la forma llisa i la forma rugosa) sempre presentaven llavorsllises, va deduir que hi havia dues categories de factors (gens): els dominants, quesempre es manifestaven, i els recessius, que tan sols es manifestaven quan noanaven acompanyats d’un factor dominant
2. L’HERÈNCIA DE DOS CARÀCTERSTercera llei: Llei de la independència dels factors hereditaris no antagònics. Mendel també es va plantejar estudiar com s’heretaven les manifestacions de dos caràcters diferents, encreumanets dihíbrids, per exemple el caràcter forma de la llavor i el caràcter color de la llavor.-Va escollir dues races pures, una que era de llavors de superfície llisa i de color groc, i una altra que era de llavors rugoses i de color verd.Mendel va deduir d’aquest experiment que els factors per a un caràcters’hereten independentment dels factors per a un altre, és a dir, que per exempleel factor hereditari que informa sobre la forma llisa no implica res sobre si a mésha de ser groga o verda.
Llei de la independència: els factors hereditaris no antagònicsmantenen la independència a través de les generacions, ja que s’agrupen a l’atzar en els descendents
Llei de la independència: els factors hereditaris no antagònics mantenen laindependència a través de les generacions, ja que s’agrupen a l’atzar en elsdescendents
EXCEPCIONS A LES LLEIS DEMENDEL
Ara sabem que les lleis de Mendel no són d'aplicació universal.
S'ha partit de la suposició de gens que presenten dos varietats
al·lèliques, d'herència dominant, sense cap interacció al·lèlica,
etc; en el cas de la tercera llei s'ha suposat que els dos gens es
presenten en cromosomes homòlegs diferents. Què passa quanno es compleixen totes aquestes premisses?
EXCEPCIONS A LES LLEIS DEMENDEL
1. Herència d'un sol caràcter amb herència intermèdia
• Alguns caràcters no mostren una relació dedominància ja els dos al·lels de cada caràcter sónequipotents i s'expressen per igual en l‘híbrid;aquesta és la causa de que el fenotip del'heterozigot sigui una mescla dels dos fenotipspaterns.
• Per exemple a la flor de nit (Mirabilis jalapa) lavarietat homozigòtica RR és de color roig, perquèl'al·lel R fa que es sintetitze un pigment d'aquestcolor; l'homozigot BB és de color blanc, perquèl'al·lel B codifica la síntesi d'un pigment blanc; il'heterozigot RB és de color rosa perquè quans’expressen els dos al·lels apareix un colorintermedi entre vermell i blanc (B = R)
EXCEPCIONS A LES LLEIS DEMENDEL
2. Herència regulada per una sèrie d'al·lels múltiples• Els caràcters descrits fins ara estaven determinats per un gen
que manifestava dos formes al·∙lèliques; en el cas dels grupssanguinis, el gen responsable de l'aparició d'aquest caràcterha experimentat mutacions diferents que permetenl'existència de tres tipus d'al·∙lels anomenats A, B i O; enaquesta sèrie , l'A i el B són codominants (A=B) i al seu torndominen sobre el tercer al·∙lel O, que és recessiu (A > O i B > O)
Genotip AA, AO BB , BO AB OO
Fenotip (grup sanguini)A B AB O
TEORIA CROMOSÒMICA DE L’HERÈNCIA
• Mendel va publicar els seus experiments l'any 1866, enuna revista de poca difusió i en un moment en quèl'interès dels científics estava orientat cap a altresaspectes com la teoria de l'evolució basada amb laselecció natural de Darwin.
• L'any 1900, els resultats de tres científics, quetreballaven per separat i sense conèixer els treballs deMendel, varen arribar a les mateixes conclusions queell. Van redescobrir els treballs de Mendel, a qui vanreconèixer la prioritat, i d'aleshores Mendel va obtenirel reconeixement de la comunitat científica.
Walter Sutton, Theodor Boveri i Thomas Hunt Morgan van acumular proves a favor de l'anomenadateoria cromosòmica de l'herència.
Què proposa aquesta teoria?
• Els cromosomes transporten els factors hereditaris, a partir d'aquest moment anomenats gens. Cada cromosoma pot contenir milers de gens.
•Els al·lels (les formes alternatives d'un mateix gen, com ''G'' o ''g'') sempre poden ser independents.
•Per tant, poden separar-se a la meiosi i formar nous parells d'al·lels quan els gàmetes s'uneixen a la fecundació.
Un gen és una seqüència lineal de nucleòtids d’ADN o ARN que és essencial per a una funció específica, ja sigui en el desenvolupament de l'ésser o en el manteniment
d'una funció fisiològica normal.
És considerat com la unitat d'emmagatzemament d'informació i unitat d'herència al transmetre aquesta
informació a la descendència.
Els gens estan localitzats als cromosomes, al nucli cel·lular, i es disposen en línia al llarg de cadascun dels cromosomes. Cada gen ocupa en el cromosoma una
posició determinada anomenada locus. El conjunt de gens d'una espècie s'anomena genoma.
Què és un gen?
Cariotipo: complemento cromosómico CARACTERÍSTICOde una célula, individuo o especie.
Ideograma de cariotipo humano (XX)
Estan formats per nucleòtids, compostos de:• Glúcid o sucre• Àcid fosfòric• Base nitrogenada
Àcids nucleicsÀcid ribonucleic (RNA)Àcid desoxiribonucleic (DNA)
2. ELS ÀCIDS NUCLEICS
L'àcid desoxiribonucleic (ADN o DNA) és una substància química que constitueix el material genètic
dels organismes (algunes vegades juntament amb l‘ARN).
És el material del qual estan formats els gens.
L'àcid desoxiribonucleic (ADN o DNA)
COMPOSICIÓ QUÍMICA DELS ÀCIDS NUCLEICS
Nucleòtids ADN ARN
Sucre Desoxiribosa Ribosa
Bases nitrogenades
Adenina (A)Guanina (G)Citosina (C)Timina (T)
Adenina (A)Guanina (G)Citosina (C)Uracil (U)
Grup fosfat Grup fosfat Grup fosfat
FLUX DE LA INFORMACIÓ GENÈTICA
•REPLICACIÓ Procés de duplicació de l’ADN
•TRANSCRIPCIÓ Pas de la informació de l’ADN a l’ARN missatger (ARNm)
•TRADUCCIÓ Síntesi d’una proteïna seguint la seqüència de bases de l’ARNm
Replicació de l’ADN (nucli)
à es manté la informació hereditària
Transcripció (nucli)
à ADN à ARNm
Traducció (citoplasma)
à ARNm à Proteïnes
Les proteïnes són les molècules més importants perquè un organisme viu “funcioni”. N’hi ha milers de diferents en cada espècie
Síntesi de les proteïnes
• A les cèl·lules eucariotes comença al NUCLI i s’acaba al CITPOPLASMA• 1r → El DNA del nucli transcriu el missatge codificat al RNA missatger
(RNAm)• 2n → El RNAm format sobre el DNA surt del nucli a través dels porus de la
membrana nuclear i arriba al citoplasma, on s’adhereix a un RIBOSOMA. Allà
és llegit i traduït el missatge codificat que porta des del DNA del nucli.• 3r → El RNA de transferència (RNAt) selecciona un aminoàcid específic per a
cada grup de tres nucleòtids del RNA missatger i al porta al RIBOSOMA. Allàes van enganxant altres aminoàcids d’acord amb la informació codificada finsa formar una proteïna
Una mica de historia:
1944 Es descobreix que el DNA és el material genètic
1945 Cada gen codifica una proteïna
1953 El DNA és una doble hèlix
1961 Es descobreix el codi genètic
1977 Es descobreix com seqüenciar el DNA
1997 Els genomes es poden seqüenciar
L’àcid desoxiribonucleic (ADN)
• Format per dues cadenes de nucleòtids.
• Bases complementàries situades com els graons d’una escala.
A – TG - C
• Porta la informació genètica.• Forma part de la cromatina.• La cromatina es condensa i
forma cromosomes.Cadena d’ADN
L’àcid ribonucleic (ARN)
• ARN de transferència− Cadena lineal, plegada.− Transporta els aminoàcids
fins als ribosomes.
• ARN ribosòmic− Cadena lineal plegada.− S’uneix a proteïnes, forma
els ribosomes.
• ARN missatger− Cadena lineal, no plegada.− Transporta la informació
genètica de l’ADN fins als ribosomes.
EL CODI GENÈTIC- És la relació entre la seqüència dels nucleòtids en el RNA
missatger i la seqüència d’aa en la proteïna.- Cada grup de 3 nucleòtids = TRIPLET (li correspon 1 aa)- El triplet AUG: senyal de l’inici de la cadena.- 3 triplets indiquen el final i no codifiquen cap aa
Síntesi de l’hemoglobina i de l’hemoglobina mutada (transcripció i traducció)
Exemple de mutació en el gen. Substitució en el 8é parell de nucleòtids (adenina) en comptes de timina, produeix ANÈMIA FALCIFORME (hemoglobina diferent que origina glòbuls vermells en forma de mitja lluna, menys eficients en el transport d’oxigen)
LES MUTACIONS
El terme mutació es deu al botànic H. de Vries (1901), que estudiant laflor de nit, va adonar-se de l’aparició de característiques no previstesque es transmetien a la descendència. Aquests canvis els va anomenarmutacions.
Les mutacions són alteracions permanents en l’ADN que es transmeten ala descendència provocades per causes internes o externes (agents osubstàncies mutàgens, per exemple).
Aquestes alteracions o errors poden suposar una avantatge, undesavantatge o resultar neutres per a l’organisme portador de lamutació.
Poden donar-se mutacions a nivell molecular (afecten a un gen), a nivellcromosòmic (diversos gens) o a nivell genòmic (nombre decromosomes).
Les mutacions a llarg termini han constituït la base de la diversitatbiològica i la matèria primera sobre que ha permès l’evolució.
Generació de còpies inexactes (mutacions) és la base de l’evolució = variabilitat al procés.
!!!! Éssers vius actuals som el resultat de l’acumulació selectiva d’una infinitat de mutacions que van ser seleccionades per causes diferents.
GENS:•Emmagatzemen info. hereditària•Diuen quines proteïnes es fabriquen
Anem a veure si hem entès alguna cosa:Si una cadena de DNA té la següent seqüència:
...TACATGAATCGGGTATCCTTAG...En quina cadena de RNA es transcriuria?
Fàcil, no?, si la cadena és:TACATGAATCGGGTATCCTTAG...
la seva complementaria serà:
TACATGAATCGGGTATCCTTAG...ATGTACTTAGCCCATAGGAATC...
La cadena d’ARN corresponent seria la mateixa però canviant les T per les U
AUGUACUUAGCCCAUAGGAAUC...I ara podríem anar al codi genètic per veure a quins
aminoàcids correspondrien...
3. ELS GENS. EL PROJECTE GENOMA HUMÀ (PGH)
• La informació s’organitza en gens• La majoria del DNA aparentment no aporta informació (?)• El DNA s’empaqueta junt amb proteïnes en els cromosomes
• El GENOMA: conjunt de tota la informació genètica d’ell mateix. El 2003 es va publicar la seqüència del genoma humà. • Tots els éssers vius:
Ø 23 parells de cromosomesØ 23.000 gensØ 3.070 milions de parells de bases A-T i C-G
• Els gens que codifiquen proteïnes tan sols representen el 2% del nostre DNA!
• Objectius del PGH• Localitzar i situar els gens en els cromosomes• Determinar la seqüència de nucleòtids dels gens• Esbrinar la funció de cada gen• Determinar les proteïnes que codifiquen els gens
• Resultats•Compartim molts gens amb els bacteris ialtres organismes senzills• Els éssers humans compartim el 99.99% del codi genètic
o La seqüència de gens eucariòtics va demostrar que molts estaninterromputs per seqüències extra de DNA que no es fan servir =INTRONS
o El 98% de DNA restant no codifica i està format per introns, gensde RNA i el DNA escombraria.
• GENS que codifiquen proteïnes amb exons i introns.ü EXÒ: porció DNA dins d’un gen que codifica proteïnesü INTRÓ: porció DNA dins d’un gen que no es fa servir en la
síntesi de proteïnes
Els introns no codificants s’eliminen del RNAm abans de començar la síntesi proteica
• Gens de RNA: fragments de DNA en què la seva transcripciódóna lloc a RNA que no codifica cap proteïna.
• DNA escombraria: no pertany a cap gen. La major part delgenoma és en realitat DNA escombraria. La funció d’aquest DNAescombraria encara és desconeguda!
GENOMA I COMPLEXITAT
• La dimensió d’un genoma no es correlaciona amb la complexitatde l’organisme que genera = els organismes amb MÉS gens nosón necessàriament més complexos que els organismes ambMENYS gens/nucleòtids!
Nombre de gens i bases del genoma humà per a cada cromosoma
• La genòmica: és la part de la biologia que s’encarrega de l’estudidels genomes. S’utilitza en l’estudi de patologies complexes, comel càncer i que a diferència dels caràcters mendelians, estandeterminats per l’acció conjunta d’equips de gens (poligens).
• La proteòmica: s’encarrega d’estudiar totes les proteïnescodificades del genoma.
El nombre de proteïnes codificades pel genoma en l’ésser humà(100.000) s’estima molt superior al nombre de gens (23.000) =alguns gens codifiquen més d’una proteïna
LA GENÈTICA DEL DESENVOLUPAMENT
La genètica del desenvolupament és la que ha fet possible desxifrar les reglesque regeixen el desenvolupament dels organismes
- Antonio García-Bellido (1936) i Ginés Morata (1945) són els que hancontribuït a establir les bases genètiques d’aquest camp.
- Estudiant la mosca Drosophila melanogaster va demostrar que els animalses construeixen de forma modular: va descobrir territoris (compartiments) enquè s’expressen determinats gens (gens selectors homeòtics) de formaexclusiva durant el desenvolupament.
El desenvolupament d’un organisme suposa que unacèl·lula inicial es multipliqui (proliferació) i desprésque les cèl·lules filles s’especialitzin per arribar aformar els diferents teixits (diferenciació)
Una seqüència de gens homeòtics és una seqüència de DNA inclosa en gens que regulen el desenvolupament d’un ésser viu
Entendre com “programar cèl·lules” perquè esdevinguin un tipus cel·lular o un altre té un gran potencial en medicina.
ACTIVITATS1. Defineix amb les teves paraules gen. On es troben?2. Quina relació hi ha entre genotip i fenotip?3. És el mateix un gen que un cromosoma? Per què?4. Què passa amb els gens entre pares i fills?5. Què és el codi genètic? Explica el dogma central de la biologia molecular.
6. Explica les diferències més importants entre DNA i RNA.