Genètica Bàsica i Cicle Cel·lular: Guia Completa de Conceptes

Conceptes Clau de Genètica

A continuació, es presenten definicions fonamentals en genètica:

• Caràcter: Tret o característica d'un organisme que es pot mesurar quantitativament o qualitativament i que es transmet de pares a fills. Exemple: el color dels ulls.
• Fenotip: Cadascuna de les formes observables que pot tenir un caràcter.
• Gen: Fragment o seqüència d'un cromosoma que es transcriu. Solen tenir centenars de parells de bases.
• Al·lel: Diferents versions o seqüències que pot tenir un gen. En el locus d'un gen no sempre hi ha la mateixa seqüència. Si dues seqüències ocupen el mateix locus, es consideren el mateix gen.
• Cromosoma: Molècula d'ADN que es troba al nucli de les cèl·lules eucariotes.
• Locus: Posició específica que ocupa un gen en un cromosoma; les coordenades de la localització dels gens en un genoma.
• Genotip: En relació a un gen, la parella d'al·lels concreta que té un individu.
• Genotip homozigot: Genotip amb dos al·lels idèntics per a un gen determinat.
• Genotip heterozigot: Genotip amb dos al·lels diferents per a un gen determinat.
• Genotip hemizigot: Genotip amb un sol al·lel per a un gen determinat (com els mascles amb gens al cromosoma X que no tenen un homòleg al Y).

Com un gen pot tenir múltiples formes (al·lels)?

La presència de múltiples formes (seqüències o al·lels) d'un gen s'explica principalment per les mutacions que ocorren durant la replicació de l'ADN. La replicació és el procés pel qual una molècula d'ADN es duplica. Durant aquest procés, l'enzim ADN polimerasa col·loca bases complementàries a una cadena d'ADN que s'ha separat, resultant en dues molècules d'ADN idèntiques. No obstant això, l'ADN polimerasa pot cometre errors, produint una mutació a nivell de seqüència. Cada vegada que s'afegeix una mutació aleatòria en un gen, es pot generar un nou al·lel. Aquests errors són infreqüents (aproximadament 1 cada 100 milions de bases), però en un genoma humà, això pot resultar en aproximadament 32 errors per replicació.

Quants al·lels pot tenir un gen?

Un gen pot tenir una gran quantitat d'al·lels. Això es deu al fet que hi ha molts parells de bases en un gen, i cada base pot mutar de diverses maneres (per exemple, una base pot ser substituïda per qualsevol de les altres tres).

Tipus de Canvis Genètics i Caràcters

• Mutació: Canvi en la seqüència (parell de bases) d'un cromosoma que es troba en molt pocs individus de l'espècie. La seva freqüència és generalment baixa (per exemple, menys del 0.001% de la població o 1/5000).
• Polimorfisme: Canvi en un cromosoma que es troba en una quantitat relativament alta d'individus de l'espècie. La seva freqüència és significativa (per exemple, superior al 1% o 30%).
• Caràcter monogènic: Caràcter determinat per un únic gen.
• Caràcter poligènic: Caràcter la determinació del qual requereix la interacció de més d'un gen (és el tipus més comú).
• Gen pleiotròpic: Gen que intervé en la determinació de més d'un caràcter fenotípic.

L'equació Fenotip = Genotip + Factors Ambientals

Aquesta equació subratlla que el fenotip (les característiques observables d'un organisme) no depèn exclusivament del genotip (la seva composició genètica), sinó que també està influenciat significativament pels factors ambientals. Per exemple, l'alçada d'una persona, tot i tenir una base genètica, pot veure's afectada per la nutrició (com la disponibilitat de calci) durant el creixement. La norma de reacció és la funció matemàtica que descriu com els factors ambientals influeixen en un fenotip, i cal destacar que aquesta relació no sempre és lineal.

Per què "un gen, una proteïna" no és del tot cert?

L'afirmació "un gen, una proteïna" no és del tot precisa per diverses raons. En primer lloc, no tots els gens codifiquen proteïnes; alguns codifiquen molècules d'ARN funcional (com l'ARNr o l'ARNt). En segon lloc, a causa del splicing alternatiu (procés on els introns són eliminats i els exons s'uneixen de diferents maneres), un mateix gen pot donar lloc a múltiples proteïnes diferents.

Classificació dels gens segons el producte que codifiquen

Els gens es poden classificar en funció del producte que codifiquen:

• Gens codificadors de proteïnes: Aquells que es transcriuen en ARN missatger (ARNm) i posteriorment es tradueixen en proteïnes.
• Gens codificadors d'ARN no codificant (ncRNA): Aquells que es transcriuen en diverses molècules d'ARN funcional (com l'ARN ribosòmic (ARNr), l'ARN de transferència (ARNt), microARN (miRNA), etc.) que no es tradueixen en proteïnes, però tenen funcions reguladores o estructurals importants.

Nombre de gens en cèl·lules d'un organisme pluricel·lular

Sí, en general, totes les cèl·lules somàtiques d'un organisme pluricel·lular contenen el mateix nombre de gens. Això es deu al fet que provenen d'un zigot inicial mitjançant successives divisions per mitosi. Durant la mitosi, les cèl·lules filles reben una còpia idèntica del material genètic de la cèl·lula mare, incloent-hi el mateix nombre de cromosomes i, per tant, els mateixos gens.

Localització dels gens en l'espècie

Sí, en general, tots els individus de la mateixa espècie tenen els mateixos gens localitzats en els mateixos cromosomes i en els mateixos locus específics. Aquesta conservació de la posició gènica és fonamental per a la integritat genètica de l'espècie.

El Cicle Cel·lular: Fases i Característiques

El cicle cel·lular és la seqüència d'esdeveniments que tenen lloc en una cèl·lula entre dues divisions cel·lulars successives. Encara que algunes cèl·lules poden entrar en apoptosi (mort cel·lular programada), la majoria es divideixen per produir noves cèl·lules. Un exemple típic és una cèl·lula que viu 24 hores i, en arribar a aquest punt, es divideix. El cicle cel·lular es divideix en diverses fases principals:

• Fase G1 (Gap 1): Els cromosomes estan completament descondensats (en forma de cromatina). Durant aquesta fase, la cèl·lula creix, sintetitza proteïnes i realitza les seves funcions metabòliques i especialitzades, transcrivint els gens necessaris per al teixit al qual pertany.
• Fase S (Síntesi): Es produeix la replicació de l'ADN. Cada cromosoma es duplica, resultant en dues cromàtides germanes idèntiques unides pel centròmer.
• Fase G2 (Gap 2): La cèl·lula continua creixent i sintetitza les proteïnes necessàries per a la divisió cel·lular, com ara les que formaran el fus mitòtic o fus cromàtic. Es prepara per entrar en la fase M.
• Fase M (Mitosi o Meiosi): És la fase de divisió cel·lular.
  • La mitosi ocorre en cèl·lules somàtiques i produeix dues cèl·lules filles genèticament idèntiques.
  • La meiosi ocorre en cèl·lules germinals i produeix gàmetes amb la meitat del nombre de cromosomes.
• N: Representa el nombre de cromosomes en un joc haploide (present en els gàmetes) d'una espècie. Per exemple, en humans, n=23, ja que les cèl·lules somàtiques són diploides (2n=46).

Esquema de la Mitosi (2n=4)

Funció de la Mitosi i moments clau

La mitosi té com a funció principal la producció de cèl·lules somàtiques diploides (2n) genèticament idèntiques a la cèl·lula mare. Aquestes divisions cel·lulars són fonamentals en diversos moments de la vida d'un individu:

• Desenvolupament embrionari: Per a la formació i creixement de l'organisme des del zigot.
• Creixement: Per augmentar el nombre de cèl·lules i, per tant, la mida de l'organisme.
• Regeneració i reparació de teixits: Per reemplaçar cèl·lules danyades o mortes i mantenir la integritat dels teixits.

Característiques dels productes de la Mitosi

Els productes finals de la mitosi són dues cèl·lules filles que presenten les següents característiques principals:

• Són diploides (2n), és a dir, tenen el mateix nombre de cromosomes que la cèl·lula mare.
• Són genèticament idèntiques entre si i a la cèl·lula mare.
• Són capaces de realitzar les mateixes funcions que la cèl·lula mare, ja que posseeixen el mateix material genètic.

Diferenciació cel·lular en teixits

Tot i que totes les cèl·lules d'un organisme pluricel·lular provenen del mateix zigot per mitosi i, per tant, contenen el mateix genoma, les cèl·lules que formen els diferents teixits no són iguals a causa del procés de diferenciació cel·lular. Aquest procés implica que, tot i tenir el mateix conjunt de gens, cada tipus cel·lular expressa (transcriu i tradueix) només un subconjunt específic d'aquests gens. Això permet que cada teixit desenvolupi una funció específica.

Esquema de la Meiosi (2n=4)

La frase "un cromosoma = un centròmer" té sentit perquè el centròmer és la regió constreta d'un cromosoma que uneix les dues cromàtides germanes (després de la replicació de l'ADN) o que serveix com a punt d'ancoratge per al fus mitòtic durant la divisió cel·lular. Independentment de si un cromosoma està format per una o dues cromàtides, sempre es defineix per la presència d'un únic centròmer.

Què és la Cromatina?

La cromatina és el material genètic de la cèl·lula eucariota que es troba al nucli. Està constituïda principalment per molècules d'ADN associades a histones i altres proteïnes no històniques. Les histones ajuden a empaquetar l'ADN en estructures més compactes, formant nucleosomes (bobines d'ADN al voltant de proteïnes).

Durant la major part del cicle cel·lular (interfase), la cromatina es troba en un estat descondensat, la qual cosa facilita l'accés al material genètic per a processos com la transcripció i la replicació de l'ADN, permetent el funcionament i creixement cel·lular. Quan la cèl·lula es prepara per a la divisió, la cromatina es condensa fortament per formar els cromosomes visibles.

Què és un Nuclèol?

El nuclèol és una estructura densa i sense membrana que es troba dins del nucli de les cèl·lules eucariotes. La seva funció principal és la síntesi de l'ARN ribosòmic (ARNr) i l'assemblatge dels ribosomes. Està present en la majoria dels nuclis cel·lulars, amb algunes excepcions com certs espermatozoides o els nuclis de segmentació d'alguns amfibis.

Mutacions i Herència

Errors de replicació de l'ADN: Mitosi vs. Meiosi

Els errors de la replicació de l'ADN que ocorren durant la meiosi són considerats hereditaris perquè la meiosi és el procés de divisió cel·lular que produeix els gàmetes (cèl·lules sexuals com òvuls i espermatozoides). Si una mutació es produeix en l'ADN d'una cèl·lula germinal i aquesta cèl·lula participa en la fecundació, la mutació es transmetrà a totes les cèl·lules del nou organisme.

En canvi, els errors de la replicació de l'ADN que es produeixen durant la mitosi en cèl·lules somàtiques (les que formen els teixits del cos) no són hereditaris. Aquestes mutacions afecten només la cèl·lula on s'originen i les seves cèl·lules filles mitòtiques, però no es transmeten a la descendència a través dels gàmetes. El cos té mecanismes de reparació de l'ADN i, si aquests fallen, la cèl·lula pot entrar en apoptosi per evitar la propagació de l'ADN defectuós.

Tipus de Mutacions

• Mutació somàtica: Mutació que afecta una cèl·lula somàtica i les seves cèl·lules filles, però no les cèl·lules de la línia germinal. Per tant, no es transmet a la descendència.
• Mutació germinal: Canvi en un gen que ocorre en una cèl·lula reproductora (òvul o espermatozoide). Si aquesta cèl·lula participa en la fecundació, la mutació s'incorporarà a l'ADN de totes les cèl·lules de la descendència, sent, per tant, hereditària.

Paper de les mutacions en la formació de tumors

En la formació d'un tumor, les mutacions somàtiques tenen un paper crucial. Són mutacions que s'adquireixen durant la vida d'un individu en cèl·lules somàtiques i poden acumular-se, afectant gens clau que controlen el cicle cel·lular (com oncogens o gens supressors de tumors). L'acumulació d'aquestes mutacions pot portar a un creixement cel·lular descontrolat i a la formació d'un tumor en l'individu afectat. Aquestes mutacions no es transmeten a la descendència.

Per contra, les mutacions germinals (o hereditàries) són aquelles que ja estan presents en l'ADN de totes les cèl·lules d'un individu des del naixement, ja que van ser heretades dels seus progenitors. Tot i que una mutació germinal per si sola no sol causar un tumor directament, pot augmentar significativament la predisposició genètica a desenvolupar certs tipus de càncer al llarg de la vida, ja que l'individu ja comença amb una 'primera alteració' en un gen important.