El cicle cel·lular de les cèl·lules eucariotes implica dos fases ben diferenciades:
Interfase: És la fase més llarga de la vida d'una cèl·lula i la més activa ja que és el moment que la cèl·lula aprofita per fer les funcions de nutrició i relació. Cap al final de la interfase es produeix la replicació del DNA, pas previ a la divisió cel·lular.
Fase M o fase de divisió cel·lular. En les cèl·lules somàtiques el procés s'anomena Mitosis, en les cèl·lules germinals la divisió cel·lular s'anomena Meiosis. En aquest post parlarem únicament de la divisió cel·lular pròpia de les cèl·lules somàtiques, és a dir, de la Mitosis.
Les fases de la Mitosis són:
Profase: La membrana nuclear desapareix. El DNA es condensa en forma de cromosomes i es dupliquen els centríols.
Metafase: Els cromosomes es situen al pla equatorial de la cèl·lula, els centríols migren als pols de la cèl·lula i comença a formar-se el fus meiòtic que acabarà unint-se al centròmer dels cromosomes.
Anafase: Els filaments del fus meiòtic comencen a contraure's. Es separen les cromàtides que es desplaçaran als pols de la cèl·lula.
Telofase i citocinesi: Apareix la membrana nuclear, els cromosomes es descondensen i el fus meiòtic es dissol. La citocinesi, que succeeix durant la última fase de la mitosi, succeeix de forma diferent segons sigui una cèl·lula animal o cèl·lula vegetal. En les cèl·lules animals es dupliquen els orgànuls i la membrana s'estrenyeix fins que apareixen les dues cèl·lules. En les vegetals es dupliquen els orgànuls i la paret cel·lular creix des dels marges fins a formar les dues noves cèl·lules.
En la mitosis el número de cromosomes es manté sempre constant de manera que una cèl·lula diploide genera dues cèl·lules diploides.
El fet que la mitosis succeeixi únicament en les cèl·lules somàtiques de l'organisme fa que les funcions de la mitosis sigui:
Les cèl·lules eucariotes es caracteritzen per tenir el material genètic tancat en una estructura membranosa anomenada nucli, ser més grans i complexes que les cèl·lules procariotes i tenir tota una sèrie d'orgànuls especialitzats en fer una funció determinada que treballen coordinadament per desenvolupar les funcions cel·lulars.
Es pensa que van aparèixer per endosimbiosis de cèl·lules procariotes fa més de 2000 milions d'anys.
Existeixen tres tipus de cèl·lules eucariotes:
La cèl·lula eucariotaanimal
La cèl·lula eucariota vegetal
La cèl·lula eucariota dels fongs, aquesta última no l'estudiarem.
Cèl·lula eucariota animal
Es caracteritza per tenir centrosoma i vesícules i no presentar paret cel·lular.
Cèl·lula eucariota vegetal
Es caracteritza per presentar paret cel·lular de cel·lulosa, vacúol i cloroplasts i no presentar centrosoma.
Descripció dels orgànuls:
Nucli: estructura esfèrica constituïda per una doble membrana porosa que tanca el material genètic, el manté en bones condicions afavorint la replicació i l’expressió genètica. El DNA sempre està ubicat en el nucli de la cèl·lula. L’únic material genètic que pot sortir és l’RNA.
Cromatina: És el DNA parcialment descondensat. Es necessita que adopti aquesta estructura per a poder caber dintre del nucli de la cèl·lula.
Nuclèol: Està format per proteïnes i DNA condensat.
Reticle endoplasmàtic rugós (RER): Estructura membranosa formada per sàculs interconnectats que embolcalla el nucli i hi està connectat. En la seva superfície membranosa conté ribosomes. La seva funció principal és sintetitzar i empaquetar proteïnes en vesícules.
Reticle endoplasmàtic Llis (RELL): Estructura membranosa formada per sàculs interconnectats amb el RER. Sintetització i empaquetament en vesícules de lípids.
Vesícules: estructures esfèriques membranoses que contenen diverses substàncies.
Lisosomes: Estructures esfèriques membranoses que contenen enzims digestius.
Aparell de golgi: Estructura membranosa formada per sàculs aplanats que s’encarrega de l’empaquetament, transformació i transport de proteïnes i lípids.
Ribosomes: Estructura no membranosa formada per RNA ribosòmic que té la funció de fabricar proteïnes.
Citoesquelet: estructura proteica formada per microtúbuls que tenen una funció esquelètica a la cèl·lula.
Membrana: Bicapa lipídica semipermeable que envolta la cèl·lula, la protegeix i regula el pas de susbtàncies. L’aigua, els gasos i les sals minerals passen sense dificultat perquè són molècules petites. Les més grans, com els glúcids, els lípids o les proteïnes requereixen altres mecanismes de transport.
Mitocondri: Els mitocondris són orgànuls constituïts per una doble membrana: una membrana externa i una interna amb invaginacions i DNA mitocondrial. La seva replicació no està dirigida pel nucli de la cèl·lula i el seu origen és degut a l’endosimbiosis de bacteris quimiosintétics aeròbics que vivien en simbiosis amb les cèl·lules eucariotes primitives. S’hereten per via materna ja que són aportats pel l’òvul. La seva funció és la fabricació d'energia química, ATP (Adenosín trifosfat), a partir de l’oxidació de la glucosa.
C6H12O6 + O2 = CO2 + ATP +H2O (Respiració cel·lular)
Cloroplast: Els cloroplasts són orgànuls constituïts per una doble membrana amb sàculs aplanats plens de clorofila i DNA propi. La seva replicació no està dirigida pel nucli de la cèl·lula i el seu origen és degut a l’endosimbiosis de bacteris fotosintètics aeròbics que vivien en simbiosis amb cèl·lules eucariotes primitives. La seva funció és la fabricació de glucosa i oxigen a partir d’aigua, diòxid de carboni i l’energia solar. Exclusius de les cèl·lules vegetals.
H2O + CO2 = O2 + C6H12O6 (glucosa) (Fotosíntesi)
Vacúol: Orgànul membranós present exclusivament a la cèl·lula vegetal que té la funció d’emmagatzemar substàncies com l’aigua o el midó i donen turgència a la cèl·lula.
Paret de cel·lulosa: Present exclusivament a la cèl·lula vegetal. Està constituïda per cel·lulosa (un tipus de glúcid) que dona estructura a la cèl·lula.
Centrosoma: Exclusiu de la cèl·lula animal. És una estructura formada per una agrupació de microtúbuls en forma de T. Estan implicats en la distribució dels cromosomes durant la reproducció cel·lular.
Els membres del súper regne Procaryota, són tots aquells éssers vius majoritàriament unicel·lulars que no presenten una membrana nuclear que tanqui el material genètic (DNA) si no que aquesta molècula, circular i petita, es troba dispersa pel citoplasma.
Es creu que van aparèixer a la Terra fa entre 4000 i 3800 milions d'anys i que van ser la forma de vida dominant sobre la Terra durant al menys 3000 milions d'anys.
Formen part d'aquest grup tots els Bacteris (inclosos els cianobacteris) i els archeas, tenen una mida d'entre 0,5 i 3,0µm i a nivell morfològic es poden presentar com:
Cocs: Tenen forma esfèrica o lleugerament el·lipsoïdal. Aquests bacteris es solen agrupar ja sigui per parelles (diplococs), de quatre en quatre (tetracocs), en estructura cònica (sarcines), cadenes llargues (estreptococs) i cadenes ramificades (estafilococs)
Bacils: cèl·lules allargades que no no acostumen a agrupar-se.
Espirils: Tenen forma d'espiral i es presenten de forma separada.
Vibrions: Tenen forma de coma i es presenten de forma separada.
Així mateix a nivell estructural els bacteris presenten una estructura poc complexa:
Càpsula: Capa més externa i no sempre present en tots els bacteris. Pot variar molt el seu gruix. Actua com a protecció de l'entorn.
Paret bacteriana: Capa intermèdia situada entre la càpsula bacteriana i la membrana. Rígida i de gruix variable dóna forma a la cèl·lula i la protegeix de la pressió osmòtica i regula el pas d'ions a través seu. No sempre és present.
Membrana plasmàtica: Capa interna dels bacteris constituïdes per fosfolípids i proteïnes. Té la mateixa estructura que la membrana de les cèl·lules eucariotes.
Flagels: Apèndix llarg i prim amb possibilitat de rotar que permet el desplaçament bacterià pel medi.
Fímbries: També anomenats pels bacterians. No són presents en tots els bacteris i tenen una funció de fixació al substrat.
Citoplasma: pot estar dividit en compartiments que contenen enzims i intervenen en diversos processos metabòlics com processos quimiosintètics, fotosintètics i ruta de l'ATP.
Procari o nucleoide: Molècula circular de DNA que constitueix el material genètic del bacteri.
Ribosomes: Orgànul no membranós que intervé en la síntesis de proteïnes.
Plasmidis: Molècules de DNA petites.
Inclusions: Acumulacions de substàncies diverses.
Funció de nutrició
Es pensa que els primers Procaryota devien ser heteròtrofs, ja que l'abundància de matèria orgànica en el "brou primordial" afavoria el desenvolupament de la vida heteròtrofa. No obstant, l'aparició de bacteris (autòtrofs) capaços de sintetitzar matèria orgànica a partir de l'energia química (quimiosintétics) o el Sol (fotosintètiques) va permetre augmentar la diversitat en les formes de metabòliques tant variades i diverses com les que trobem actualment a la natura:
Funció de relació
Els bacteris són sensibles a una gran quantitat d'estímuls i tenen la capacitat d'adaptar-se en funció de l'entorn. Existeixen bacteris que poden canviar el seu metabolisme i altres que enfront la dessecació poden formar una espora de de resistència. La variabilitat és molt gran fins al punt que podem trobar bacteris en condicions ambientals extremes:
Temperatures superiors a 100º: fonts termals
Condicions d'acidesa i toxicitat extrema: Rio Tinto
Condicions de radiació extrema: centrals nuclears
Condicions de salinitat molt elevada: salines
Condicions en absència d'oxigen, atmosfera i radiació solar: a l'espai.
Funció de reproducció
Els bacteris es reprodueixen per bipartició o fissió binaria, un procés asexual que dóna lloc a cèl·lules filles idèntiques a les cèl·lules mares.
Repliquen el DNA, aquest es fixa en un punt d'ancoratge a la membrana en forma d'un únic cromosoma, creix la cèl·lula i es divideix.
Aquest mètode de reproducció no permet variabilitat genètica, tret que apareguin mutacions durant la replicació del DNA. Així doncs, com ha estat possible tanta variabilitat genètica?
Doncs bé, els bacteris tenen sistemes per intercanviar DNA anomenats processos parasexuals i així augmentar la seva diversitat:
Transformació natural: Els bacteris absorbeixen restes de DNA que poden arribar a incorporar en el seu propi material genètic.
Conjugació bacteriana: Es dóna quan dos bacteris intercanvien DNA de forma directa.
Transducció: Es dóna quan un virus vector, és a dir, un virus que ha incorporat DNA d'un altre bacteri, infecta el bacteri i l'inocula part del DNA del bacteri anterior. Aquest sistema s'utilitza sovint en la enginyeria genètica.
Abans d'explicar qué són les mutacions, quins tipus hi ha i quines són les causes, val la pena veure l'episodi 4 del documental les 5 claus dedicat, precisament, a les mutacions:
Què és una mutació?
Una mutació és una alteració en el material genètic produïda, generalment, de manera espontània i sobtada.
Aquestes alteracions que en la majoria dels casos, solen ser degudes a l'atzar, a vegades poden ser induïdes pels anomenats agents mutàgens, és a dir, qualsevol substància química o agent físic que tingui la capacitat d'influir d'alguna manera en l'estructura o la composició del material genètic.
Físics: raig X, llum ultraviolada, raciació nuclear, etc.
No totes les mutacions es manifesten o s'hereten i per tant provoquen canvis permanents. Aquest fet depèn de diferents fators com són l'extensió del DNA afectat, el tipus de cèl·lula afectada i el tipus d'efecte que ocasionen:
Segons l'extensió del DNA afectat trobem:
Mutacions gèniques: Quan la mutació afecta a un o més gens sense que es vegi compromesa l'estructura cromosòmica. Són mutacions molt petites que normalment són reparades amb rapidesa. Molt sovint afecten a fragments de DNA que no codifiquen cap proteïna o que no alteren l'estructura final o la funció de la proteïna. En aquests casos la mutació no tindria conseqüències per a la cèl·lula. Tot i així és pot donar el cas que afectin de forma més decisiva provocant problemes a nivell cel·lular. Seria el cas de les cèl·lules cancerígenes.
Mutacions cromosòmiques: Són aquelles que alteren l'estructura del cromosoma ja sigui per desaparició d'un fragment, duplicació o canvi de posició. Solen ser conseqüència de l'acció de les radiacions i afecten principalment a les cèl·lules reproductores. Per tant, s'hereten a través dels gàmetes i poden afectar a tot l'individu.
Mutacions genòmiques: Són un tipus concret de mutació cromosòmica en la que s'altera el nombre total de cromosomes. Solen succeir durant gametogènesi, concretament en la meiosi II, moment en el qual es reparteixen les cromosomes entre les cèl·lules filles, o gàmetes, haploides. Poden causar un augment o disminució d'un o més cromosomes concrets donant lloc a síndromes com la síndrome de Down.
Segons el tipus de cèl·lula afectada
Cèl·lules somàtiques: Com es tracta de cèl·lules no reproductores, els canvis no es transmetrien a la generació següent. Tot i així, si la mutació és perjudicial pot provocar greus lesions i malalties greus com el càncer.
Cèl·lules reproductores: Les alteracions no es manifestarien en l'individu, però si es poden transmetre a la seva descendència. D'aquesta manera, la mutació es podria estendre entre els individus de l'espècie.
Segons l'efecte que ocasionen:
Perjudicials: Quan la mutació causa un clar perjudici a l'individu comprometent la seva supervivència.
Beneficioses: Quan la mutació suposa una avantatge en termes de supervivència respecte els altres individus de la mateixa espècie.
Neutres: Quan no suposen ni perjudici ni avantatge en termes de supervivència de l'individu.
Les mutacions són una font de diversitat genètica molt important. L'aparició o desaparició d'un caràcter o característica concreta pot suposar avantatges o inconvenients a nivell d'adaptació al medi i per tant afavorir la diversitat dintre de la pròpia espècie.
El DNA és el llibre d'instruccions de la cèl·lula. Però, com tots els llibres, necessita ser interpretat per a que les cèl·lules puguin executar les seves funcions. La forma en que el DNA transmet la seva informació és a través de les proteïnes. Cada proteïna executa una funció determinada en el nostre cos: regulen reaccions químiques, executen funcions estructurals, funcions de reservori de substàncies, transport de substàncies, funcions hormonals, funcions defensives, funcions reguladores i controlen el moviment. És a dir, les proteïnes s'encarreguen de fer funcionar el cos. Existeixen centenars de tipus de proteïnes, cadascuna específica per a una espècie concreta i totes es troben codificades en el DNA mitjançant els gens, ja que cada gen determina la seqüència d'aminoàcids d'una proteïna concreta.
La transcripció i traducció són dos processos que permeten transformar la informació continguda en una seqüència de nucleòtids, és a dir, en un gen, a una proteïna concreta.
Però com funcionen aquests processos?
La transcripció és un procés molt similar a la replicació, amb la salvetat, que en lloc de formar dos filaments de DNA el que es produeix és un filament de RNA anomenat RNA missatger:
El procés comença quan una ARN polimerasa obre una bombolla de transcripció desempaquetant un fragment de DNA de manera que els nucleòtids poden copiar la seqüència de DNA en un filament de RNA missatger. Aquest RNAm tindrà uracil en lloc de timina i caldrà que sigui processat eliminant tots aquells nucleòtids sense informació genètica, abans que surti del nucli cel·lular cap al citoplasma.
El DNA conté grans quantitats de fragments, seqüències de nucleòtids, que no determinen cap proteïna i que en el procés de transcripció és copiaran a l'RNAm. No se sap quina és la seva funció però el que sí es fa necessari és eliminar-los de l'RNAm abans que aquest surti al citoplasma.
Un cop al citoplasma s'unirà als ribosomes on servirà de motlle al RNA de transferència que s'encarrega de captar aminoàcids i portar-los al ribosoma.
Existeixen 20 aminoàcids presents a totes les cèl·lules vives del nostre planeta. Cada aminoàcid està associat a una seqüència concreta de tres nucleòtids o codó: és el que anomenem codi genètic.
Es considera que el codi genètic és universal per a totes les espècies del planeta, tot hi que hi ha excepcions. Què vol dir això? Doncs que totes les espècies del planeta tradueixen la informació continguda en l'RNA de la mateixa manera.
El codi genètic el que fa és associar un triplet de nucleòtids de RNA a un aminoàcid concret. Si us fixeu, molts triplets diferents estan associats al mateix aminoàcid. Això és degut a que a la Terra sols existeixen 20 aminoàcids tot i que podria arribar a codificar fins a 64 en el cas que existiren més aminoàcids diferents. D'altra banda, si el codi genètic en lloc d'associar triplets de nucleòtids el que fes fos associar parells de nucleòtids només en podríem codificar 16 aminoàcids, insuficients per als que existeixen a la natura.
Cada RNA de transferència està codificat per agafar només un tipus d'aminoàcid concret. Aquest RNAt s'uneix a l'RNAm gràcies a que una part de la molècula, anomenada anticodó, correspon a la seqüència complementaria del que s'anomena codó: triplet de nucleòtids relatiu al codi genètic.
És a dir, el RNAt és com una clau que porta un aminoàcid adherid i que identifica en quina part del RNAm es pot acoplar deixant anar els aminoàcids en l'ordre que determina el RNAm.
Per tant, el ribosoma el que fa és llegir la seqüència de RNAm permetent que es vagin acoplant els RNA de transferència diferents per tal d'anar construint una seqüència d'aminoàcids que acabarà convertint-se en una proteïna.
En aquest vídeo podem veure com es realitza la transcripció i després la traducció a proteïnes:
