LA REVOLUCIÓ GENÈTICA –LA BIOTECNOLOGIA

TEMA 4

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)

5’-mRNA-3’

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.