Àcids Nucleics i Evolució: Conceptes Clau en Biologia

Àcids Nucleics

Els àcids nucleics són polímers formats per la unió de molts nucleòtids, que són les seves unitats bàsiques. Aquestes molècules tenen un paper fonamental en l’emmagatzematge i la transmissió de la informació genètica en tots els éssers vius.

Estructura dels Nucleòtids

Cada nucleòtid està format per tres components:

• Àcid fosfòric (grup fosfat), que proporciona caràcter àcid a la molècula.
• Pentosa, que pot ser:
  • Desoxiribosa (present a l'ADN).
  • Ribosa (present a l'ARN).
• Base nitrogenada, que pot ser de dos tipus:
  • Púriques (formades per dos anells): Adenina (A) i Guanina (G).
  • Pirimidíniques (formades per un anell): Timina (T) en l’ADN, Uracil (U) en l’ARN, i Citosina (C).

Els nucleòtids s'uneixen mitjançant enllaços fosfodièster, formant llargues cadenes de polinucleòtids. L’enllaç entre la base nitrogenada i la pentosa es coneix com a enllaç N-glicosídic.

ADN i ARN: Diferències Clau

L'ADN i l'ARN són dos tipus d'àcids nucleics que comparteixen una estructura similar però amb diferències clau:

ADN

• Conté desoxiribosa com a sucre.
• Les seves bases nitrogenades són A, T, C i G.
• Es troba principalment al nucli de les cèl·lules eucariotes i als mitocondris.
• Té una estructura bicatenària (doble cadena), formant una doble hèlix.
• La informació que conté és essencial per a la transmissió genètica.

ARN

• Conté ribosa com a sucre.
• Les seves bases nitrogenades són A, U, C i G (la timina és substituïda per uracil).
• Es localitza al nuclèol i al citoplasma (especialment als ribosomes).
• Té una estructura monocatenària (una sola cadena).
• Juga un paper fonamental en la síntesi de proteïnes i en la transmissió de la informació genètica de l’ADN als ribosomes.

Estructura de l'ADN

L'ADN és la molècula responsable de l’emmagatzematge de la informació genètica, que es transmet de generació en generació. La seva estructura es pot descriure en diferents nivells:

Estructura Primària

Consisteix en una seqüència lineal de nucleòtids units mitjançant enllaços fosfodièster. La combinació d’aquests nucleòtids determina la informació genètica d’un organisme. Les bases nitrogenades es disposen seguint un patró de complementarietat:

• Adenina (A) s’aparella amb Timina (T) mitjançant 2 ponts d’hidrogen.
• Citosina (C) s’aparella amb Guanina (G) mitjançant 3 ponts d’hidrogen.

Aquesta disposició fa que la seqüència de nucleòtids sigui única per a cada espècie i individu.

Estructura Secundària (Doble Hèlix)

Es caracteritza per la seva disposició en doble hèlix dextrògira, segons el model proposat per Watson i Crick, basat en els estudis de Chargaff, Franklin i Wilkins. L’ADN està format per dues cadenes complementàries i antiparal·leles (una cadena va en direcció 5’ → 3’ i l’altra en direcció 3’ → 5’). Cada volta completa de la doble hèlix conté 10,5 parells de bases i té una longitud d’aproximadament 3 nm. Els ponts d’hidrogen entre les bases nitrogenades estabilitzen l’estructura.

Estructura Terciària (Superenrotllament)

Quan la fibra d’ADN es retorça sobre si mateixa, es forma una superhèlix. Aquest fenomen rep el nom d’ADN superenrotllat, i ajuda a:

• Reduir la longitud de la molècula d’ADN per facilitar-ne l’empaquetament.
• Millorar l’eficiència de la duplicació i transcripció.

Empaquetament de l'ADN

L’ADN d’una cèl·lula ha d’estar fortament empaquetat per cabre dins del nucli. Això s’aconsegueix mitjançant diferents nivells d’organització:

Nucleosomes

L’ADN s’associa amb proteïnes històniques per formar nucleosomes. Els nucleosomes estan formats per un octàmer d’histones al voltant del qual s’enrotlla l’ADN.

Collaret de Perles (Fibra de Cromatina de 100 Å)

Els nucleosomes es disposen seqüencialment, donant lloc a una estructura que recorda un collaret de perles. Aquesta és la forma en repòs de l’ADN a les cèl·lules eucariotes.

Solenoide (Fibra de Cromatina de 300 Å)

La fibra de 100 Å es compacta encara més, formant un solenoide amb 6 nucleosomes per volta.

Estructura de Bucles

La fibra de 300 Å es disposa en forma de bucles, units a una bastida proteica que manté l’organització de la cromatina.

Cromosomes (Màxim Empaquetament)

En el màxim nivell de compactació, la cromatina forma cromosomes, visibles durant la divisió cel·lular.

Organització de l'ADN a la Cèl·lula

L'ADN es troba organitzat en diferents estructures dins de la cèl·lula:

Nucli (Medi Intern)

El medi intern del nucli, anomenat nucleoplasma, és una solució col·loidal amb proteïnes, nucleòtids, ARN i ions. És essencial per a la replicació de l’ADN i la síntesi d’ARN.

Cromatina

Estructura en què es troba l’ADN quan la cèl·lula no està en divisió. Té diferents graus de condensació:

• Heterocromatina (ADN condensat, transcripcionalment inactiu).
• Eucromatina (ADN menys condensat, transcripcionalment actiu).

Cromosomes

L’ADN es condensa en cromosomes durant la divisió cel·lular. Els cromosomes asseguren el repartiment equitatiu de la informació genètica entre les cèl·lules filles. Estan formats per dues cromàtides germanes unides pel centròmer.

Evolució Biològica

L’evolució biològica és el procés pel qual les espècies canvien al llarg del temps a través de la selecció natural i altres mecanismes. Aquest procés explica la diversitat de formes de vida a la Terra i està recolzat per múltiples evidències científiques.

Teories Preevolutives i Evolutives

Al llarg de la història, s'han proposat diverses teories per explicar l'origen i la diversitat de les espècies:

Fixisme (Teories Preevolutives)

Defensava que les espècies eren invariables i havien estat creades tal com són actualment. Aristòtil i el Creacionisme van ser les principals visions fixistes.

Catastrofisme (Georges Cuvier)

Proposava que l’extinció d’espècies es devia a grans catàstrofes naturals seguides de la creació de noves espècies.

Lamarckisme (Jean-Baptiste Lamarck)

Primer científic que va proposar una teoria evolutiva basada en:

• Llei de l’ús i desús: Els òrgans es desenvolupen o s’atrofien segons l’ús.
• Herència dels caràcters adquirits: Els canvis adquirits per un individu es transmeten a la descendència.

Aquesta teoria va ser refutada perquè no explicava la genètica ni la variabilitat entre individus.

Darwinisme (Charles Darwin)

Explicava l’evolució a través de la selecció natural, basada en:

• Variabilitat: Existeixen diferències entre individus d’una mateixa espècie.
• Lluita per la supervivència: Els recursos són limitats i només sobreviuen els més adaptats.
• Selecció natural: Els individus amb característiques avantatjoses tenen més descendència.

Alfred Russel Wallace també va desenvolupar una teoria similar.

Neodarwinisme o Teoria Sintètica

Combina la selecció natural de Darwin amb els coneixements genètics moderns (mutacions, recombinació genètica, deriva genètica).

Teoria Neutralista (Motoo Kimura)

Defensa que la majoria de mutacions no tenen efectes adaptatius i es fixen per deriva genètica.

Teoria de l'Equilibri Puntuat

Proposa que l’evolució es produeix en episodis curts i sobtats, seguits de llargs períodes d’estabilitat.

Mecanismes de l'Evolució

Els principals mecanismes que impulsen el canvi evolutiu són:

1. Mutacions: Canvis aleatoris en l’ADN que poden generar noves característiques.
2. Recombinació genètica: Variabilitat generada durant la reproducció sexual.
3. Selecció natural: Afavoreix els individus millor adaptats al medi.
4. Deriva genètica: Canvis aleatoris en la freqüència dels al·lels dins d’una població.
5. Flux genètic: Intercanvi genètic entre poblacions per migració.

Proves de l'Evolució

L'evolució està recolzada per diverses línies d'evidència:

1. Fòssils: Mostren canvis en els éssers vius al llarg del temps.
2. Anatomia comparada:
   • Òrgans homòlegs (mateixa estructura, funció diferent → origen comú).
   • Òrgans anàlegs (estructura diferent, funció similar → evolució convergent).
3. Embriologia comparada: Els embrions de diferents espècies presenten similituds.
4. Biogeografia: Distribució geogràfica de les espècies indica relacions evolutives.
5. Biologia molecular: Similituds en l’ADN i proteïnes entre espècies relacionades.

Mecanismes de Formació d'Espècies (Especiació)

L'especiació és el procés pel qual es formen noves espècies. Alguns mecanismes inclouen:

1. Especiació allopàtrica: Separació geogràfica genera noves espècies.
2. Especiació simpàtrica: Apareixen noves espècies sense barreres físiques.
3. Especiació perípatrica: Petita població aïllada evoluciona en una nova espècie.
4. Especiació parapàtrica: Poblacions adjacents evolucionen de manera diferent.

Mecanismes d'Aïllament Reproductiu

Aquests mecanismes impedeixen l'encreuament entre espècies diferents:

• Aïllament ecològic: Les espècies viuen en hàbitats diferents.
• Aïllament etològic: Diferències en el comportament reproductiu.
• Aïllament estacional o temporal: Diferents èpoques de reproducció.
• Aïllament mecànic: Incompatibilitat en els òrgans reproductors.

Llei de Hardy-Weinberg

Estableix que en una població en equilibri, les freqüències al·lèliques i genotípiques es mantenen constants generació rere generació. Només es compleix en absència de selecció natural, mutacions, deriva genètica, flux genètic i amb aparellaments a l’atzar.