ADN i Cicle Cel·lular: Estructura, Funció i Divisió Cel·lular
L'ADN és una molècula bicatenària, és a dir, formada per dues cadenes disposades de manera antiparal·lela i amb les bases nitrogenades enfrontades.
Estructura de l'ADN: Nivells i Components Essencials
A la seva estructura tridimensional, es distingeixen diferents nivells:
Nivells d'Organització de l'ADN
Estructura Primària de l'ADN
Seqüència de nucleòtids encadenats. És en aquestes cadenes on es troba la informació genètica, i atès que l'esquelet és el mateix per a tots, la diferència d'informació es troba en la diferent seqüència de bases nitrogenades. Aquest codi d'informació depèn de l'ordre de les bases.
Estructura Secundària: La Doble Hèlix
És una estructura en doble hèlix que permet explicar l'emmagatzematge de la informació genètica i el mecanisme de duplicació de l'ADN.
Postulada per Watson, Crick i Franklin, basant-se en la difracció de raigs X que Franklin i Wilkins havien realitzat, i en l'equivalència de les bases de Chargaff, segons la qual la suma d'adenines més guanines és igual a la suma de timines més citosines.
És una cadena doble, dextrògira o levògira, segons el tipus d'ADN.
Són cadenes complementàries, ja que l'adenina i la guanina d'una cadena s'uneixen, respectivament, a la timina i la citosina de l'altra.
Ambdues cadenes són antiparal·leles, ja que l'extrem 3' d'una s'enfronta a l'extrem 5' de l'altra homòloga.
Existeixen tres models d'ADN. L'ADN de tipus B és el més abundant i és el que té l'estructura descrita per Watson, Crick i Franklin.
L'ADN existeix en moltes conformacions; s'han observat l'ADN-A, l'ADN-B i l'ADN-Z. Això depèn de la seva seqüència, quantitat i direcció del seu superenrotllament, així com de modificacions químiques com la unió d'ions, metalls i poliamines. La forma B és la més comuna. La forma A és una espiral que gira cap a la dreta en formes deshidratades d'ADN. Mentre que la forma Z es troba en cèl·lules implicades en la transcripció.
Estructura Terciària: Empaquetament de l'ADN
Es refereix a com s'emmagatzema l'ADN en un espai reduït per tal de formar els cromosomes. Varia segons es tracti de:
- En procariotes, l'ADN es plega com una superhèlix, generalment en forma circular i associada a una petita quantitat de proteïnes. El mateix passa en orgànuls cel·lulars com els mitocondris i els cloroplasts.
- En eucariotes, atès que la quantitat d'ADN és molt gran, l'empaquetament ha de ser més complex i compacte; per la qual cosa es necessita la presència de proteïnes, com les histones i altres proteïnes de naturalesa no histònica (en els espermatozoides trobem les protamines).
La doble hèlix és una espiral dextrògira, és a dir, cada cadena de nucleòtids gira cap a la dreta. Si s'observa de baix a dalt, es confirma seguint les fibres que són en primer pla. I levògira si ho fa cap a l'esquerra. Això és degut als canvis de conformació en l'ADN. La més comuna és la dextrògira, girant cada parell de bases respecte a l'anterior uns 36º.
Components Químics de l'ADN
L'estructura de suport d'una fibra d'ADN està formada per unitats alternes de grups fosfat i sucres. El sucre, en l'ADN, és una pentosa, concretament la desoxiribosa.
Àcid Fosfòric
Enllaç fosfodièster. El grup fosfat (PO43-) uneix el carboni 5' del sucre d'un nucleòsid amb el carboni 3' del següent.
La seva fórmula química és H3PO4. Cada nucleòtid pot contenir un (monofosfat: AMP), dos (difosfat: ADP) o tres (trifosfat: ATP) grups d'àcid fosfòric, malgrat que com a monòmers constituents de l'ADN, només apareixen com a nucleòsids monofosfats.
Desoxiribosa
És un monosacàrid de 5 àtoms de C (pentosa), derivat de la ribosa, que forma part de l'estructura de nucleòtids de l'ADN. La seva fórmula és C5H10O4. Una de les principals diferències entre l'ADN i l'ARN és el sucre, ja que en l'ARN la 2-desoxirribosa de l'ADN és reemplaçada per una pentosa alternativa, la ribosa.
Les molècules del sucre s'uneixen entre si a través dels grups fosfat, que formen enllaços fosfodièster entre els àtoms de carboni 3' (tres prima) i 5' (cinc prima) dels anells adjacents de sucre.
Això fa entendre que cada fibra d'ADN té una direcció. En una doble hèlix, la direcció dels nucleòtids en una fibra 3'→5' és oposada a la de l'altra fibra 5'→3'. Aquesta organització s'autodenomina antiparal·lela de l'ADN. Són cadenes paral·leles però oposades. Així mateix, els extrems de les fibres asimètriques de l'ADN s'anomenen extrem 5' i extrem 3', respectivament.
Bases Nitrogenades
Les quatre bases nitrogenades majoritàries que es troben en l'ADN són l'adenina (A), la citosina (C), la guanina (G) i la timina (T). Cadascuna d'aquestes quatre bases està unida a l'estructura de sucre-fosfat a través del sucre per tal de formar el nucleòtid complet (base-sucre-fosfat).
Les bases són compostos heterocíclics i aromàtics amb dos o més àtoms de nitrogen, i es classifiquen en dos grups: les bases púriques o purines (adenina i guanina), derivades de la purina i formades per dos anells units entre si, i les bases pirimidíniques o pirimidines (citosina i timina).
En els àcids nucleics existeix una cinquena base pirimidínica, anomenada uracil (U), que normalment ocupa el lloc de la timina en l'ARN i difereix d'aquesta en què li manca un grup metil en el seu anell. L'uracil no es troba habitualment en l'ADN.
Adenina (A)
Es representa amb la lletra A. Derivat de la purina. En l'ADN sempre s'aparella amb la timina de la cadena complementària amb 2 ponts d'hidrogen, A=T. La seva fórmula química és C5H5N5 i la seva nomenclatura és 6-aminopurina. L'adenina, juntament amb la timina, fou descoberta el 1885 pel metge alemany Albrecht Kossel.
Timina (T)
En el codi genètic es representa amb la lletra T. És un derivat pirimidínic amb un grup oxo en les posicions 2 i 4, i un grup metil en la posició 5.
En l'ADN, la timina sempre s'aparella amb l'adenina de la cadena complementària mitjançant 2 ponts d'hidrogen, T=A.
La seva fórmula química és C5H6N2O2 i la seva nomenclatura és 2,4-dioxo-5-metilpirimidina.
Citosina (C)
Es representa amb la lletra C. És un derivat pirimidínic, amb un grup amino en posició 4 i un grup oxo en posició 2.
La citosina sempre s'aparella en l'ADN amb la guanina de la cadena complementària mitjançant un triple enllaç, C≡G.
La seva fórmula química és C4H5N3O i la seva nomenclatura és 2-oxo-4-aminopirimidina.
Guanina (G)
Es representa amb la lletra G. És un derivat púric. La guanina sempre s'aparella en l'ADN amb la citosina de la cadena complementària amb tres enllaços d'hidrogen, G≡C. La seva fórmula química és C5H5N5O.
El Cicle Cel·lular: Fases i Regulació
La cèl·lula com a unitat de vida realitza activitats molt similars a qualsevol ésser viu: neix, es desenvolupa, s'especialitza, acompleix funcions determinades, es reprodueix i mor.
El cicle cel·lular és la forma de representar la vida cel·lular i els diferents processos pels quals passa habitualment. Es divideix en dues grans etapes:
- El període previ a una divisió (interfase)
- La divisió mateixa (fase M, que inclou mitosi o meiosi)
La Interfase: Preparació per a la Divisió Cel·lular
L'estat de no divisió o interfase: la cèl·lula realitza les seves funcions específiques i, si està destinada a progressar a la divisió cel·lular, comença a efectuar la duplicació del seu ADN.
La interfase consta de quatre estadis clarament definits:
Fase G1: Creixement, Síntesi i Especialització
És la primera fase del cicle cel·lular, en què existeix creixement cel·lular amb síntesi de proteïnes i d'ARN. És el període que transcorre entre la fi d'una mitosi i l'inici de la síntesi d'ADN. En aquest període, la cèl·lula duplica la seva mida i massa a causa de la contínua síntesi de tots els seus components, com a resultat de l'expressió dels gens que codifiquen les proteïnes responsables del seu fenotip particular. És característica d'aquesta etapa la seva especialització. La diferenciació cel·lular es deu a l'activació de certs gens.
Fase G0: Estat de Repòs i Diferenciació
Les cèl·lules que no s'estan dividint es troben en una fase coneguda com a G0, paral·lela al cicle. La cèl·lula especialitzada ha perdut la seva forma original i capacitat de reproduir-se, no podrà dividir-se i està fora del cicle. Les cèl·lules que aquí es troben són altament diferenciades: neurones, glòbuls vermells i gàmetes.
Fase S: Replicació de l'ADN
És la segona fase del cicle, en què es produeix la replicació o síntesi de l'ADN. Com a resultat, cada cromosoma es duplica i queda format per dues cromàtides idèntiques. Amb la duplicació de l'ADN, el nucli conté el doble de proteïnes nuclears i d'ADN que al principi.
Fase G2: Preparació Final per a la Divisió
És la segona fase de creixement del cicle cel·lular, en què continua la síntesi de proteïnes i ARN. Al final d'aquest període, s'observen al microscopi canvis en l'estructura cel·lular, que indiquen el principi de la divisió cel·lular. S'acaba quan els cromosomes comencen a condensar-se al principi de la mitosi.
La Fase M: Mitosi i Meiosi
La fase M és la fase de la divisió cel·lular en què una cèl·lula progenitora es divideix en dues cèl·lules filles idèntiques entre si i a la cèl·lula mare. Aquesta fase inclou la mitosi, al seu torn dividida en profase, metafase, anafase i telofase, i la citocinesi, que s'inicia ja en la telofase mitòtica.
En algunes cèl·lules no es produeix la citocinesi, i el resultat de la divisió és una massa cel·lular plurinucleada denominada plasmodi.
Mitosi: Les Seves Fases
Profase
La paraula profase prové de pro que vol dir "abans" i la paraula fase. Durant la profase desapareix el nuclèol i la membrana nuclear, es condensa la cromatina i es comencen a formar els cromosomes. La profase dura més o menys un 40% del temps total de la divisió cel·lular. En aquesta fase, els cromosomes són fàcils d'observar dins de l'embolcall nuclear abans que es desintegri.
Metafase
La metafase és la fase de la mitosi i de la meiosi que succeeix després de la profase, en la qual es perd l'embolcall nuclear i apareixen els microtúbuls. El nom "metafase" prové del grec meta, que significa "després".
Anafase
Els cromosomes es trenquen i les cromàtides germanes se separen i es dirigeixen cap als pols.
Telofase
La telofase, del grec telos (fi) i phasis (fase), és la fase final de la mitosi i meiosi, que succeeix al final de l'anafase. Es produeix la divisió citoplasmàtica cel·lular o citocinesi, formant-se dues cèl·lules filles amb la mateixa dotació cromosòmica que la cèl·lula mare.
Mitosi vs. Meiosi: Diferències Clau
A diferència del que passa en la mitosi, en què es manté la dotació genètica, existeix una variant de la divisió cel·lular, pròpia de les cèl·lules de la línia germinal, denominada meiosi. En la meiosi, es redueix la dotació genètica diploide, comuna a totes les cèl·lules somàtiques de l'organisme, a una haploide, és a dir, amb una única còpia del genoma. D'aquesta manera, la fusió, mitjançant la fecundació, de dos gàmetes haploides provinents de dos parentals diferents dóna com a resultat un zigot, un nou individu diploide, equivalent en dotació genètica als seus pares.
La mitosi manté el nivell de ploidia, mentre que la meiosi el redueix (2n → n). La meiosi es pot considerar com una fase de reducció del nombre de cromosomes seguida d'una mitosi lleugerament diferent. La meiosi només passa en poques cèl·lules d'un organisme multicel·lular, però la mitosi és molt més comuna.
Recombinació Genètica: Crossing Over
Una vegada es completa la sinapsi entre tots els cromosomes homòlegs i les cromàtides de tots dos cromosomes resten estretament unides (tètrades), es produeix l'entrecreuament o crossing over entre cromàtides no germanes. És a dir, l'intercanvi de fragments de cromosomes que pertanyen a diferents cromosomes homòlegs. La conseqüència d'aquest intercanvi és la recombinació gènica, ja que a partir d'aquell moment, els cromosomes no són completament paterns o materns, sinó que cada cromàtida està constituïda per segments alternants paterns o materns.
Gametogènesi: Formació de Gàmetes
Es denomina gametogènesi el procés de formació de gàmetes (per definició haploides, n) a partir de les cèl·lules de la línia germinal.
Espermatogènesi
L'espermatogènesi és el procés de formació d'espermatozoides per meiosi (en animals, per mitosi en plantes) en òrgans especialitzats coneguts com a gònades (que en els mascles s'anomenen testicles). Després de la divisió, les cèl·lules es diferencien transformant-se en espermatozoides.
Ovogènesi
L'ovogènesi és el procés de formació d'un òvul per meiosi (en animals, per mitosi en el gametòfit de les plantes) en òrgans especialitzats coneguts com a ovaris. Cal destacar que, mentre que en l'espermatogènesi les quatre cèl·lules derivades de la meiosi es diferencien en espermatozoides, durant l'ovogènesi el citoplasma i els orgànuls van a una cèl·lula més gran: l'òvul, i les altres tres (corpuscles polars) no es desenvolupen.
En els humans, en el cas de les gònades masculines, es produeixen a prop de 200.000.000 espermatozoides/dia, i les femenines produeixen un òvul mensual durant el cicle menstrual.
La incorrecta regulació del cicle cel·lular pot provocar l'aparició de cèl·lules precancerígenes que, si no són induïdes al suïcidi mitjançant l'apoptosi, poden causar l'aparició de càncer. Els errors que porten a aquesta desregulació estan relacionats amb la genètica cel·lular; el més habitual són les alteracions en oncogens, gens supressors de tumors i gens de reparació de l'ADN.