Citation preview

Biologia 1 BATXILLERAT

El llibre Biologia per a 1r de batxillerat és una obra col·lectiva concebuda, dissenyada i creada al departament d’Edicions Educatives de Grup Promotor / Santillana, dirigit per Enric Juan Redal i M. Àngels Andrés Casamiquela. En la realització han intervingut: Antonio Jimeno Luis Ugedo EDICIÓ

Magda Belsa Hernández Laura Coma Vilaplana Lídia Gil Fernández Sílvia Jofresa Marquès

Grup Promotor Santillana

Índex UNITAT 1. LA COMPOSICIÓ DELS ÉSSERS VIUS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

La vida ..................................................................... Els nivells d’organització de la matèria.................... La composició química de la matèria viva ............... Els bioelements ....................................................... Els principis immediats o biomolècules .................. L’aigua ..................................................................... Les sals minerals ...................................................... Les dissolucions i les dispersions col·loïdals ............

UNITAT 5. ELS ÀCIDS NUCLEICS 08 09 12 15 18 18 21 22

1. La composició química dels àcids nucleics.............. 82 2. L’àcid desoxiribonucleic .......................................... 85 3. L’àcid ribonucleic .................................................... 91

UNITAT 6. LA CÈL·LULA: UNITAT D’ESTRUCTURA I FUNCIÓ 1. 2. 3. 4. 5.

El descobriment de la cèl·lula .................................. 98 Forma i mida de les cèl·lules .................................... 101 L’estructura de les cèl·lules ...................................... 105 Els mètodes d’estudi de les cèl·lules........................ 109 Augments i resolució dels microscopis ................... 113

UNITAT 7. MEMBRANES CEL·LULARS I ORGÀNULS NO DELIMITATS PER MEMBRANES 1. 2. 3. 4. 5. 6.

La membrana plasmàtica ........................................ 118 Les membranes de secreció .................................... 126 El citoplasma ........................................................... 128 El centrosoma.......................................................... 131 Els cilis i els flagels ................................................... 132 Els ribosomes........................................................... 133

UNITAT 8. ORGÀNULS CEL·LULARS DELIMITATS PER MEMBRANES UNITAT 2. ELS GLÚCIDS 1. 2. 3. 4. 5.

Característiques dels glúcids ................................... Els monosacàrids ..................................................... Els disacàrids............................................................ Els polisacàrids......................................................... Els glúcids associats a altres tipus de molècules......

30 31 35 37 41

UNITAT 3. ELS LÍPIDS 1. 2. 3. 4. 5.

Els lípids ................................................................... Els àcids grassos....................................................... Els lípids amb àcids grassos o saponificables .......... Els lípids sense àcids grassos o insaponificables ..... Les funcions dels lípids ............................................

46 46 50 54 55

UNITAT 4. LES PROTEÏNES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 2

Els aminoàcids ......................................................... L’enllaç peptídic ...................................................... L’estructura de les proteïnes ................................... Les propietats de les proteïnes................................ La classificació de les proteïnes ............................... Les funcions de les proteïnes...................................

60 63 64 70 72 75

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

El reticle endoplasmàtic .......................................... 138 L’aparell de Golgi..................................................... 140 Els lisosomes............................................................ 142 Els vacúols ............................................................... 143 Els peroxisomes i els glioxisomes ............................ 144 Els mitocondris ........................................................ 145 Els cloroplasts .......................................................... 146 El nucli cel·lular ........................................................ 148

UNITAT 11. LES MUTACIONS, ELS GENS I L’ENGINYERIA GENÈTICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

UNITAT 9. LA REPRODUCCIÓ I LA RELACIÓ DE LA CÈL·LULA EUCARIOTA 1. Tipus de divisió cel·lular........................................... 160 2. La divisió generadora de cèl·lules amb el mateix nombre de cromosomes.................. 160 3. La divisió generadora de cèl·lules amb la meitat de cromosomes ................................ 171 4. La funció de relació cel·lular .................................... 178

Les mutacions.......................................................... 210 Les mutacions gèniques .......................................... 211 Les mutacions cromosòmiques............................... 215 Les mutacions genòmiques..................................... 216 Els agents mutàgens................................................ 218 L’evolució del concepte de gen............................... 219 El DNA dels organismes eucariotes ......................... 220 L’enginyeria genètica .............................................. 222 L’enginyeria genètica i la teràpia de malalties humanes.............................................. 227 10. L’enginyeria genètica i la producció agrícola i animal .................................................... 230 11. El càncer: una malaltia genètica ............................ 232 12. El projecte Genoma Humà .................................... 235 13. Riscos i implicacions ètiques de l’enginyeria genètica ........................................ 236

UNITAT 10. LA DUPLICACIÓ DEL DNA I LA BIOSÍNTESI DE LES PROTEÏNES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

La duplicació del DNA ............................................. 186 El sentit de creixement dels nous filaments ............ 188 El mecanisme de la duplicació del DNA .................. 191 La teoria «un gen - un enzim».................................. 194 L’expressió del missatge genètic............................. 196 El mecanisme de la transcripció .............................. 196 La clau genètica....................................................... 199 La traducció o biosíntesi de les proteïnes................ 201 La regulació de l’expressió genètica........................ 203

UNITAT 12. LA REPRODUCCIÓ I EL DESENVOLUPAMENT DELS ORGANISMES PLURICEL·LULARS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

La reproducció asexual i la sexual ........................... 242 Diferències entre reproducció i sexualitat ............... 244 Reproducció asexual o vegetativa........................... 246 Reproducció sexual ................................................. 248 Les etapes en la reproducció sexual ........................ 251 La reproducció assistida .......................................... 258 La clonació i les cèl·lules mare ................................. 259 Els problemes ètics derivats de la biotecnologia cel·lular..................................... 263 3

Esquema d’una unitat Pàgina d’introducció a la unitat Número i títol de la unitat.

Preguntes relacionades amb el text d’introducció i la fotografia de presentació que ajuden a raonar els alumnes.

La secció Continguts presenta tots els grans apartats que es treballaran al llarg de la unitat. Text d’introducció a la unitat, motivador, i que en molts casos recorda alguns coneixements que els alumnes poden haver adquirit en altres cursos.

Pàgines d’epígrafs amb els continguts Els continguts es desenvolupen de manera molt estructurada i amb un suport d’imatges abundant. Les paraules clau figuren en negreta. Nombroses fórmules i esquemes que ajuden a comprendre els continguts.

Al marge hi ha definicions de les paraules marcades en el text amb un asterisc. Les activitats permeten treballar els continguts treballats en l’apartat. Estan numerades consecutivament. Al peu de pàgina s’indica el número i el títol de la unitat.

Una pàgina completa per a un contingut desenvolupat a fons.

Tècniques d’anàlisi i altres continguts desenvolupats a fons dins d’alguns epígrafs.

4

Doble pàgina amb activitats finals

Les activitats finals estan plantejades per comprovar l’aprenentatge dels continguts de la unitat, i relacionen i integren uns continguts amb uns altres. En cada activitats’indica el grau de dificultat que té: ● Mitjana ● Alta ● Molt alta

Les activitats d’interpretació de dades permeten aplicar els coneixements adquirits a casos pràctics.

Les activitats WWW són propostes per treballar a la xarxa.

Pàgina per fer pràctiques al laboratori

La pàgina de laboratori proposa experiències relacionades amb la unitat que permeten adquirir habilitat al laboratori.

Al final del llibre trobem un índex analític, molt pràctic per localitzar els conceptes més importants i les paraules clau.

5

Presentació

Aquest llibre ha estat estructurat i escrit pensant primer en l’alumnat i, en segon lloc, en el professorat que ha d’impartir aquesta matèria. Per aquest motiu, els continguts s’han ordenat de la forma que es considera més adequada perquè puguin ser entesos. Per fer-ho s’han tingut en compte els aspectes següents: • Els continguts de la matèria Biologia estan distribuïts entre el primer i el segon curs de batxillerat. • Només els continguts del segon curs poden entrar en les proves d’accés a la universitat. • Tots els alumnes de Biologia de 1r de batxillerat també cursaran la matèria obligatòria Ciències per al món contemporani, la qual inclou molts aspectes biològics. • A partir del curs 2009/2010 la majoria dels alumnes que facin aquesta matèria prèviament hauran cursat la matèria Biologia i geologia de 4t d’ESO i, per tant, ja hauran estudiat determinats aspectes de la biologia. Tenint en compte tot això, l’opció pedagògica triada ha estat evitar les repeticions innecessàries. Considerem que tornar a veure masses vegades els mateixos temes porta a un cert cansament i a no disposar de prou temps per tractar bé els altres temes ni per, al final de curs, poder repassar, sintetitzar i reflexionar sobre el conjunt de tot el que s’ha estudiat. Algunes de les diferències més significatives d’aquest text respecte a altres textos que també es poden trobar en el mercat són: • Inclou els glúcids i els lípids a 1r de batxillerat. La raó ha estat que considerem que no es pot entendre l’estructura de la membrana plasmàtica ni com funciona, sense haver estudiat abans els lípids, ni tampoc no es pot entendre l’estructura del DNA sense haver estudiat abans els glúcids i els diferents tipus d’enllaços químics. Com que en el segon curs de batxillerat es tracta el metabolisme dels glúcids i dels lípids, a l’aula caldrà repassar aquests dos tipus de biomolècules i, per tant, els alumnes assoliran un bon coneixement dels glúcids i dels lípids. • Tot i que es treballa aquest contingut, no es dedica un capítol sencer a la genètica mendeliana. Hi ha dues raons per a aquesta decisió. La primera és que a 1r de batxillerat només cal explicar el monohibridisme, i pràcticament tot l’alumnat ja haurà vist aquest tema en la matèria Biologia i geologia de 4t d’ESO, i és segur que ja ho haurà fet amb prou profunditat. La segona és que, com que a 2n de batxillerat cal tractar el dihibridisme i la recombinació genètica, sembla que el més adequat és tractar tots els aspectes de la genètica mendeliana conjuntament en el segon curs de batxillerat. No s’ha d’oblidar que l’alumne ha de saber resoldre problemes de genètica en les proves d’accés a la universitat. D’altra banda, com que els conceptes clàssics de l’evolució ja es tracten en la matèria Ciències per al món contemporani, sembla que en la Biologia de segon de Batxillerat el més adequat respecte a l’evolució és tractar els mecanismes genètics dels processos evolutius. Finalment volem deixar constància de l’important paper que actualment tenen els llibres de text en el nostre sistema educatiu, ja que es tracta d’un sistema excessivament canviant i, de vegades, amb canvis massa radicals. Sense els llibres de text és indubtable que avui la tasca del professorat seria molt difícil i que la preparació dels alumnes seria molt inferior. ELS AUTORS 6

La composició dels éssers vius

1

CONTINGUTS

1 La vida 2 Els nivells d’organització de la matèria 3 La composició química de la matèria viva 4 Els bioelements 5 Els principis immediats o biomolècules 6 L’aigua 7 Les sals minerals 8 Les dissolucions i les dispersions col·loïdals

La presència de vida és, sense dubte, la principal característica del nostre planeta. No coneixem cap altre lloc de l’univers on hi hagi vida. Els científics, però, tenen esperances de descobrir algun cos celeste on hi hagi aigua líquida per trobar-hi vida, almenys de tipus bacterià. • Per què creus que és tan important la presència d’aigua perquè hi pugui haver vida? • Quines característiques ha de tenir un planeta o un satèl·lit per tenir aigua líquida? Selva de Hawaii.

1 La vida 1.1. La biologia i els éssers vius La biologia és la ciència que estudia la vida (bios  vida; logos  estudi). El significat dels dos termes que conté aquesta definició és el següent: • La ciència és l’estudi raonat de la matèria. En el cas de la biologia, es tracta de la matèria viva. • La vida és el conjunt de tres qualitats que només presenten uns determinats éssers, que són la capacitat de nodrir-se, de relacionar-se i de reproduir-se. Són les anomenades tres funcions vitals. Els éssers que les compleixen reben el nom d’éssers vius. La biologia és, doncs, la ciència que estudia els éssers vius. I els estudia tant a nivell estructural (la morfologia) com funcional (la fisiologia).

1.2. Les característiques dels éssers vius Els éssers vius són éssers complexos, constituïts per una o més cèl·lules, que duen a terme les tres funcions vitals (la nutrició, la relació i la reproducció). El significat dels termes que conté aquesta definició és el següent: • Són éssers necessàriament complexos. Això és degut al fet que necessiten interactuar amb moltes molècules externes diferents i, a la vegada, regular el seu funcionament intern, i això és impossible si no es disposa d’un elevat nombre de molècules diferents. • Són éssers cel·lulars. Tots els éssers vius estan constituïts per una o més cèl·lules. Els organismes constituïts per una sola cèl·lula s’anomenen unicel·lulars, i els formats per moltes cèl·lules reben el nom de pluricel·lulars. • Es nodreixen. La nutrició és la capacitat que té l’ésser viu per captar matèria i energia de l’exterior i utilitzar-la en profit seu. Així pot renovar la seva estructura, créixer, desenvolupar-se (canviar de morfologia al llarg de la vida) i dur a terme les altres dues funcions vitals. • Es relacionen. La relació és la capacitat per captar estímuls de l’exterior i emetre-hi respostes adequades. Sense la funció de relació els éssers vius serien incapaços de sobreviure. • Es reprodueixen. La reproducció és la capacitat per originar nous individus, iguals o diferents del progenitor o dels dos progenitors. Grup de llops marins. Els éssers vius pertanyents a una mateixa espècie troben molts beneficis en el fet d’agrupar-se.

8

En relació amb aquestes funcions, cal destacar els aspectes següents: • Les molècules dels éssers vius no es mantenen estàtiques, sinó que reaccionen i es transformen contínuament per poder obtenir energia o per construir estructures moleculars pròpies. El conjunt de totes aquestes reaccions químiques rep el nom de metabolisme. • Els éssers vius deuen la seva estructura corporal a la informació biològica que contenen les molècules dels àcids nucleics. Cadascuna d’aquestes informacions rep el nom de gen. Els gens que conté un ésser viu són hereditaris, és a dir, passen d’un ésser viu als seus descendents. • Els éssers vius mantenen el seu medi intern relativament constant, fins i tot quan el medi ambient és variable. Aquesta propietat rep el nom d’homeòstasi. unitat 1

2 Els nivells d’organització de la matèria Quan s’observa la matèria es poden distingir diversos graus de complexitat estructural, que són els anomenats nivells d’organització de la matèria. Cada nivell té unes propietats que no tenen els nivells inferiors. Els set nivells d’organització són: el subatòmic, l’atòmic, el molecular, el cel·lular, el pluricel·lular, el de població i el d’ecosistema.

2.1. Els nivells subatòmic, atòmic i molecular Els nivells subatòmic, atòmic i molecular són nivells d’organització abiòtics, és a dir, nivells d’organització que també existeixen en els éssers no vius. Els altres nivells són de tipus biòtic, ja que són exclusius dels éssers vius. Les característiques més importants de cadascun d’aquests nivells són les següents. Nivell subatòmic. Comprèn les partícules més petites de la matèria, és a dir, les que constitueixen els àtoms (protons, neutrons i electrons). Nivell atòmic. Està format pels àtoms, que són la part més petita d’un element químic o d’una substància simple, és a dir, d’una substància que no es pot descompondre en d’altres de més senzilles. Per exemple, un àtom de ferro (Fe), un àtom d’oxigen (O), un àtom de carboni (C), un àtom d’hidrogen (H), etc. Nivell molecular. Comprèn les molècules, que es defineixen com a unitats materials formades per la unió de dos o més àtoms. La força que manté aquesta unió rep el nom d’enllaç químic. Són exemples de molècules una molècula d’oxigen (O2), una molècula de carbonat càlcic (CaCO3), una de glucosa (C6H12O6), etc. Les molècules que constitueixen éssers vius s’anomenen biomolècules. N’hi ha de dos tipus: les biomolècules orgàniques i les inorgàniques.

CH2OH C O H C

CH2OH C O H C

H C

H C

H C

H C

O

O C

CH2OH C O

C

C

C

C

C

glucosa

• Biomolècules orgàniques. Són les que estan constituïdes, bàsicament, per àtoms de carboni (C) i d’hidrogen (H) que estan units entre si (...CH2CH2CH2...). Generalment, també solen contenir uns altres tipus d’àtoms, com ara oxigen (O), nitrogen (N), sofre (S) i fòsfor (P). • Biomolècules inorgàniques. Són les que no estan constituïdes bàsicament per àtoms de carboni i d’hidrogen units entre si. Les més abundants són l’aigua (H2O), l’oxigen (O2), el diòxid de carboni (CO2) i les sals minerals (NaCl, CaCO3, Ca3(PO4)2, etc.).

Macromolècula de midó. En aquesta molècula el monòmer és la glucosa, i el polímer, el midó.

Dins del nivell molecular es poden diferenciar diversos subnivells de complexitat creixent: el subnivell de macromolècula, el subnivell de complex supramolecular i el subnivell d’orgànul cel·lular.

Esquema de la membrana citoplasmàtica d’una cèl·lula. A la membrana hi ha glicoproteïnes.

• Macromolècules. Són el resultat de la unió de moltes molècules orgàniques petites. Cadascuna d’aquestes molècules simples rep el nom de monòmer, i la macromolècula que en resulta, polímer. Per exemple, la macromolècula del midó (polímer) és el resultat de la unió de moltes molècules de glucosa (monòmer). • Complexos supramoleculars. Són el resultat de la unió de diverses macromolècules. Per exemple, les glicoproteïnes són el resultat de la unió de macromolècules glucídiques i proteïnes. • Orgànuls cel·lulars. Estan formats per la unió de complexos supramoleculars. Per exemple, els lisosomes, els ribosomes i l’aparell de Golgi, entre d’altres. Els orgànuls cel·lulars no es consideren éssers vius perquè són incapaços de dur a terme les tres funcions vitals per si mateixos. La composició dels éssers vius

MEDI EXTERN

proteïna perifèrica glicolípid

glicoproteïnes Glicocàlix fosfolípids colesterol

Bicapa lipídica

Citoplasma proteïna integral

proteïna transmembranosa

proteïna perifèrica

9

2.2. Els nivells cel·lular i pluricel·lular a

a) Cèl·lules procariotes bacterianes. b) Cèl·lula eucariota.

b

El nivell cel·lular comprèn les cèl·lules. A nivell estructural, la cèl·lula es pot definir com una estructura de matèria viva que es compon d’una membrana, un citoplasma i un material genètic que conté la informació sobre la seva estructura i el seu funcionament. Aquest material és l’àcid desoxiribonucleic (DNA). A nivell funcional, la cèl·lula es pot definir com l’estructura més senzilla possible de matèria viva autònoma, és a dir, capaç de nodrir-se, reproduir-se i relacionar-se per ella mateixa. Hi ha dos tipus de cèl·lules: les cèl·lules procariotes i les eucariotes. • Les cèl·lules procariotes són les que no tenen nucli diferenciat. El material genètic està dispers pel citoplasma. • Les cèl·lules eucariotes són les que tenen nucli diferenciat. El material genètic, tancat al nucli, està limitat per la membrana nuclear. Dins del nivell cel·lular es diferencia el subnivell de colònies cel·lulars. Les colònies no es consideren éssers pluricel·lulars, ja que cadascuna de les cèl·lules duu a terme totes les funcions de manera individual. Per això, si una cèl·lula queda aïllada, no té cap problema de supervivència. El nivell pluricel·lular comprèn les estructures que estan constituïdes per més d’una cèl·lula. Dins d’aquest nivell es distingeixen els subnivells següents: tal·lus, teixit, òrgan, sistema i aparell. Els organismes que tenen aparells són els que presenten un grau de complexitat més alt.

Les algues tenen el nivell d’organització de tal·lus.

Teixit epitelial.

10

• Tal·lus. És una estructura pluricel·lular en què totes les cèl·lules són iguals entre si i, per tant, totes poden dur a terme les tres funcions, és a dir, són cèl·lules equipotents. Aquest tipus d’estructura la presenten les algues i els fongs pluricel·lulars. Les molses i les falgueres també presenten una fase tal·lofítica en el seu desenvolupament. • Teixits. Són conjunts de cèl·lules molt semblants entre si, especialitzades a fer la mateixa activitat i que comparteixen un mateix origen embriològic. Per exemple, el teixit muscular. • Òrgans. Són les unitats estructurals i funcionals dels éssers vius superiors que fan actes concrets. Els òrgans poden estar constituïts per diversos teixits diferents. Per exemple, el cor està format per teixit muscular, teixit epitelial i teixit nerviós, i s’encarrega de bombar la sang en la circulació sanguínia. • Sistemes. Són conjunts d’òrgans semblants, ja que estan formats pels mateixos teixits, però que fan actes que poden ser completament independents. Per exemple, en el sistema muscular hi ha músculs que mouen el cap, d’altres que mouen els braços, d’altres que mouen les cames, etc. Altres exemples de sistemes són l’ossi, el nerviós i l’endocrí. • Aparells. Són conjunts d’òrgans que poden ser molt diferents els uns dels altres, però els actes dels quals estan coordinats i constitueixen el que s’anomena una funció. Per exemple, l’aparell digestiu està format per òrgans tan diferents com les dents, la llengua, l’estómac, el pàncrees, etc., i tots coordinats fan la funció de la digestió. unitat 1

2.3. Els nivells de població i d’ecosistema El nivell de població està format per les poblacions. S’entén per població el conjunt d’individus de la mateixa espècie que viuen en una mateixa zona i en un mateix temps. Per exemple, la població de conills que actualment viuen al massís del Montseny. El nivell d’ecosistema comprèn els ecosistemes. Un ecosistema és un conjunt de poblacions de diferents espècies que viuen interrelacionades (l’anomenada comunitat o biocenosi) i que s’interrelacionen també amb les condicions fisicoquímiques del lloc on viuen (l’anomenat biòtop). El conjunt d’ecosistemes de tota la Terra rep el nom de biosfera. Alguns autors, però, consideren la biosfera com un sol ecosistema, que és el nivell més complex d’organització dels éssers vius. 1. Nivell subatòmic Protons Neutrons Electrons

Biosfera Éssers vius i superfície terrestre.

2. Nivell atòmic

7. Nivell d’ecosistema

Àtoms

Interacció entre la comunitat i factors abiòtics del biòtop.

3. Nivell molecular

Comunitat Poblacions d’éssers vius diferents que habiten en el mateix medi.

Molècules Macromolècules Capacitat de dur a terme funcions biològiques simples.

Interacció entre espècies: depredació, parasitisme, simbiosi, etc.

Orgànuls cel·lulars

6. Nivell de població

Mitocondris Cloroplasts Nucli...

Éssers vius de la mateixa espècie que viuen en una àrea determinada. Evolució, organització social.

Capacitat de dur a terme activitats químiques complexes.

4. Nivell cel·lular La part més petita de matèria viva que pot existir en el medi. Cèl·lula: la part més petita de matèria viva capaç de nodrir-se, reproduir-se i relacionar-se.

5. Nivell pluricel·lular Teixits Òrgans Aparells Sistemes Propietats biològiques complexes: intel·ligència, instint, olfacte, vista, etc.

Els set nivells d’organització de la matèria.

Activitats 1 Quines són les tres característiques més importants que defineixen els éssers vius? 2 Per què diem que la biologia és una ciència? Raona la resposta. 3 Ordena les estructures materials següents segons la complexitat (de menys complexes a més complexes):

La composició dels éssers vius

una cèl·lula, un electró, una població, un àtom, una formiga, una proteïna, un bosc i un mitocondri. 4 A quin nivell o subnivell d’organització de la matèria pertany un grup de cèl·lules en què cadascuna és capaç de desenvolupar les tres funcions vitals? 5 Quins són els nivells d’organització abiòtics? Per què ho són?

11

3 La composició química

de la matèria viva Els conceptes químics fonamentals per entendre la composició de la matèria són: element químic, àtom, molècula, substància composta i enllaç químic.

3.1. Els elements químics, els àtoms i les molècules

Electró. Partícula de càrrega elèctrica negativa que forma part dels àtoms. Es troba a l’escorça i té una massa molt petita comparada amb la massa total d’un àtom. Neutró. Partícula sense càrrega elèctrica que, juntament amb els protons, constitueix el nucli dels àtoms. Protó. Partícula de càrrega elèctrica positiva que, juntament amb els neutrons, constitueix el nucli dels àtoms.

• Element químic o substància simple. És una substància que no es pot descompondre en d’altres mitjançant reaccions químiques. Això és degut al fet que està constituïda per un sol tipus d’àtoms. Per exemple, són elements químics l’hidrogen (H), l’oxigen (O), el carboni (C), el nitrogen (N), etc. Es coneixen 104 elements, 15 dels quals no es troben en la naturalesa, sinó que s’obtenen artificialment. • Àtom. És la part més petita d’un element químic. Es coneixen 104 tipus diferents d’àtoms. Els àtoms bàsicament estan constituïts per un nucli format per protons* i neutrons* i una escorça formada per electrons*. En general hi ha el mateix nombre de protons, de neutrons i d’electrons. Una excepció és l’àtom d’hidrogen, que només té 1 protó i 1 electró, i està mancat de neutró.

Hidrogen H • 1e, 1p, 0n Nombre atòmic  1 Pes atòmic  1

••

Oxigen • O• •• 8e, 8p, 8n Nombre atòmic  8 Pes atòmic  16

•

Estructura atòmica dels àtoms d’hidrogen, carboni, oxigen i nitrogen.

•

Carboni • C• •

Nitrogen •• N• •

6e, 6p, 6n Nombre atòmic  6 Pes atòmic  12

7e, 7p, 7n Nombre atòmic  7 Pes atòmic  14

• Molècula. És la unió de dos o més àtoms. Aquests poden ser del mateix tipus (molècules homogènies), per exemple, les molècules dels gasos oxigen (O2), nitrogen (N2), hidrogen (H2), etc.; o de diferent tipus (molècules heterogènies), per exemple, l’aigua (H2O), el clorur sòdic (NaCl), etc. • Substància composta. És la formada per dos o més elements químics. La seva part més petita és una molècula heterogènia, és a dir, formada per àtoms de diferent tipus. 12

unitat 1

3.2. Els enllaços químics L’ enllaç químic és la unió entre àtoms, molècules o ions*. En la matèria viva, els principals tipus d’enllaços són: l’enllaç iònic, entre ions; l’enllaç covalent, entre àtoms, i els enllaços intermoleculars, entre molècules.

Ió. Àtom o molècula amb càrrega elèctrica.

• L’enllaç iònic es dóna quan un dels àtoms capta electrons de l’altre. L’àtom que en capta es transforma en un ió negatiu o anió, i el que en perd, en un ió positiu o catió. Aleshores, l’anió i el catió queden units per atracció electrostàtica. Els àtoms tenen tendència a tenir 8 electrons en el seu últim orbital (llei de l’octet), excepte l’hidrogen, que té tendència a tenir 2 electrons en el seu únic orbital. Si un àtom té menys de 4 electrons en l’últim orbital, té tendència a donarlos i quedar-se amb càrrega positiva. Per això rep el nom d’element químic electropositiu o metàl·lic. En canvi, si té més de 4 electrons en l’últim orbital, té tendència a captar electrons i tenir càrrega negativa. Per això rep el nom d’element químic electronegatiu o no metàl·lic. L’ enllaç iònic es dóna entre àtoms d’electronegativitat molt diferent, és a dir, entre àtoms molt electronegatius i àtoms molt electropositius. • L’ enllaç covalent es forma quan dos àtoms comparteixen electrons. • Cada parell d’electrons compartits (electrons que giren al voltant Cl Na dels dos nuclis atòmics), un d’un àtom i l’altre d’un altre, forma un enllaç covalent. Es dóna entre àtoms d’electronegativitat alta i simi Na (catió) lar. És un enllaç molt fort. Si els àtoms units tenen una electronega Cl (anió) tivitat similar, donen lloc a molècules apolars; per exemple, els compostos formats per àtoms iguals, H2, O2, N2, I2, etc., i els constituïts per carboni i hidrogen (hidrocarburs), com ara CH4 (metà), C3H8 (propà), C4H10 (butà), C8H18 (octà o gasolina), C6H6 (benzè), etc. Si uns àtoms atrauen més cap a si els electrons, es formen molècules polars, amb un pol positiu i un altre negatiu, és a dir, molècules dipolars; per exemple, H2O (aigua), NH3 (amoníac), etc. xx

xx

x x

x

•x

Na

xx

Cl

x x

xx

Na

Cl

NaCl Clorur sòdic





Hidrogen molecular (H2) Nitrogen molecular (N2) H

H N

HH

Xarxa cúbica del NaCl

N

Enllaç iònic del NaCl. Oxigen molecular (O2) N⬅N ••

O

•

O

xx

O• ••

x

O

x x

x

xx

• •• • • •

x x

O

O

x x

O2 Oxigen gasós

Metà (CH4) OO

H

C

OO

H

Enllaç covalent apolar.

Aigua (H2O) H

H H

H

O

H

Enllaç covalent apolar (H2, O2, N2, CH4) i polar (H2O). La composició dels éssers vius

H H  H C H  H





Enllaç iònic

 Enllaç covalent apolar





Enllaç covalent polar

Comparació de la distribució de càrregues en diferents tipus d’enllaços. 13

Els enllaços intermoleculars Són els enllaços entre molècules. Els casos més importants són l’enllaç d’hidrogen, o pont d’hidrogen, i l’enllaç per forces de Van der Waals. Són enllaços molt febles i són deguts a forces electrostàtiques. • Enllaç d’hidrogen. Es dóna entre les molècules dipolars dels hidrurs (H2O, NH3, H2S...) i es produeix perquè la mida tan petita de l’àtom d’hidrogen permet que s’hi aproximi molt l’altre tipus d’àtom de la molècula contigua. Així s’estableixen forces febles d’atracció entre elles, anomenades enllaç d’hidrogen. A l’aigua, la gran electronegativitat de l’oxigen fa que les càrregues del dipol siguin molt altes, per això les molècules d’aigua s’atrauen tant entre si que formen un líquid, mentre que d’altres de més pes molecular, com el H2S, són gasos. • Enllaç per forces de Van der Waals. Es dóna entre molècules apolars, a causa de les atraccions electrostàtiques que s’originen, en determinats moments, perquè la distribució electrònica es torna asimètrica per atzar, i així sorgeixen dipols instantanis. Aquests permeten l’atracció intermolecular. Com més gran és una molècula, més força assoleix aquest enllaç, ja que hi ha més punts d’atracció possibles i les capes electròniques es deformen més fàcilment. Aquest tipus de forces també sorgeixen entre molècules polars, i n’augmenten l’atracció. espontàniament





H

H

−−−−−→

 

H

O 

O 









H Molècula no polaritzada

Molècula polaritzada (dipol instantani)



H

H 

O 







Inducció de polarització a la molècula veïna

Enllaç intermolecular del tipus enllaç d’hidrogen.

Enllaç intermolecular per forces de Van der Waals.

Activitats 6 Digues, de dos tipus d’àtoms de nombre atòmic 12 i 17, quin serà més electronegatiu i quin ho serà menys sabent que la tendència és tenir dos electrons en el primer orbital i vuit en el segon i que, en aquest darrer, si n’hi ha menys de quatre, la tendència serà desprendre-se’n, i si en té més de quatre, la tendència serà captar els que li falten per arribar a vuit. 7 Consulta una taula periòdica i ordena de més a menys electronegativitat els elements N, O, H, C i S. 8 Per què no seria possible la presència d’hidrogen a l’atmosfera terrestre actual? 9 Els dos àtoms de la molècula de nitrogen (N2) estan tan fortament units pels tres enllaços covalents que a penes reaccionen amb altres substàncies. Quina relació hi ha entre això i la composició de l’atmosfera? 10 D’on surt l’oxigen que respiren els peixos? 11 Tenint en compte que les sals, com el clorur sòdic, tenen enllaç iònic i l’aigua és una molècula dipolar, per què creus que les aigües continentals són dolces i les marines són salades? 12 Per què a temperatura ambient el H2S i el SO2 són gasos i el H2O és un líquid?

14

unitat 1

4 Els bioelements Si es fa una anàlisi química de cadascun dels diferents elements que formen els éssers vius, es troba que la matèria viva està constituïda per uns setanta elements químics, que són gairebé la totalitat dels elements estables que hi ha a la Terra, tret dels gasos nobles. Aquests elements químics que es troben en la matèria viva reben el nom de bioelements o elements biogènics. Els bioelements es poden classificar en els dos grups següents: els bioelements primaris i els bioelements secundaris. • Bioelements primaris. Són els indispensables per a la formació de les biomolècules orgàniques (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics). Aquestes són les molècules que constitueixen tots els éssers vius i que, a més, en la naturalesa, tan sols les produeixen aquests. Per això, les biomolècules també s’anomenen principis immediats de la vida. Són un grup de sis elements que constitueixen el 96,2% del total de la matèria viva: l’oxigen (O), el carboni (C), l’hidrogen (H), el nitrogen (N), el fòsfor (P) i el sofre (S). • Bioelements secundaris. Són la resta dels bioelements. En aquest grup se’n poden distingir dos tipus: els indispensables, que són els que no poden faltar perquè són imprescindibles per a la vida de la cèl·lula i que, en més o menys proporció, es troben en tots els éssers vius, i els variables, que són els que sí que poden faltar en alguns organismes. Són bioelements secundaris indispensables el calci (Ca), el sodi (Na), el potassi (K), el magnesi (Mg), el clor (Cl), el ferro (Fe) i el iode (I). Són exemples de bioelements secundaris variables, per exemple, el brom (Br), el zinc (Zn) i el titani (Ti). Segons l’abundància amb què es troben, es distingeixen dos tipus de bioelements: els bioelements plàstics, que són els onze elements que constitueixen més del 99% del pes de la matèria viva, i els oligoelements, que són els que es troben en proporcions inferiors al 0,1%. No hi ha una relació directa entre abundància i essencialitat. Per exemple, alguns oligoelements són indispensables ja que no tenen funció estructural, sinó catalitzadora, és a dir, actuen com a acceleradors de reaccions químiques. Els onze bioelements plàstics són: el carboni (C), l’hidrogen (H), l’oxigen (O), el nitrogen (N), el fòsfor (P), el sofre (S), el sodi (Na), el potassi (K), el calci (Ca), el magnesi (Mg) i el clor (Cl).

4.1. Els bioelements primaris Si es compara la composició atòmica de la biosfera, és a dir, de la matèria viva que hi ha a la Terra, amb la composició de l’atmosfera, de la hidrosfera i de la litosfera, que són les tres capes que ocupen els éssers vius, se’n poden deduir les conclusions següents: • Els alts percentatges d’hidrogen i d’oxigen a la biosfera són deguts al fet que la matèria està constituïda per aigua en un percentatge que varia del 65% (organismes terrestres) al 90% (organismes aquàtics). Al seu torn, això és així perquè totes les reaccions químiques que es duen a terme en els éssers vius es desenvolupen en el medi aquós. No és possible la matèria viva sense aigua. Tot això es relaciona amb el fet que la vida es va originar en el medi aquàtic. • Els percentatges dels altres bioelements primaris (C, N, S i P) de la biosfera són molt diferents dels que s’han trobat a l’atmosfera, la hidrosfera o la litosfera, per la qual cosa no es pot deduir que la matèria viva s’hagi format a partir dels elements més abundants, sinó a partir tan sols d’aquells (C, H, O, N, P i S) que, gràcies a les propietats que tenen, són capaços de constituir-la. La composició dels éssers vius

El fet que la vida s’originés en el medi aquàtic condiciona els alts percentatges d’aigua dels éssers vius. 15

Propietats dels bioelements primaris Aminoàcids. Molècules que constitueixen les proteïnes. Materia orgànica. Matèria constituïda bàsicament per carboni i hidrogen. Orbital. Cadascuna de les zones de l’espai a l’entorn de nuclis atòmics on és més probable trobar un electró.

109,5°

109,5°

Àtom del carboni. Les quatre valències del carboni es disposen cap als vèrtexs d’un hipotètic tetraedre.

16

• Una propietat comuna de tots els bioelements primaris és que tenen una massa atòmica relativament petita, i això afavoreix que, en combinar-se entre si, s’estableixin enllaços covalents estables. Com més petit és un àtom, més gran és la tendència del nucli positiu a completar el seu darrer orbital* amb els electrons que formen els enllaços i, per tant, més estables són aquests enllaços. • L’ àtom de carboni té quatre electrons a la perifèria i pot formar enllaços covalents apolars estables amb altres àtoms de carboni i, també, amb àtoms d’hidrogen. Això li permet constituir llargues cadenes hidrocarbonades (macromolècules) que són apolars i, per tant, insolubles en aigua, la qual cosa és necessària per poder constituir estructures estables. Els enllaços que s’estableixen poden ser simples (CH2CH2), dobles (–CHCH–) o triples (C⬅C). Poden presentar radicals afegits formats pels altres elements (O, OH, NH2, SH, H2PO4, etc.). Atès que l’oxigen, el nitrogen i el sofre són elements electronegatius, quan estableixen enllaços amb l’hidrogen donen lloc a molècules dipolars i, si se n’afegeixen suficients a una cadena hidrocarbonada, aquesta pot arribar a ser soluble, la qual cosa és necessària per reaccionar amb d’altres. Les cadenes es poden replegar de formes diferents i, com que els quatre enllaços del carboni estan dirigits cap als quatre vèrtexs d’un tetraedre imaginari, es poden formar estructures tridimensionals. Tot això possibilita la formació de diferents tipus de molècules amb l’estructura tridimensional necessària. Així doncs, la diversitat molecular permet que l’ésser viu pugui reconèixer la diversitat de molècules externes i les pugui aprofitar com a font d’energia i com a font de matèria per constituir estructures supramoleculars, com són la membrana plasmàtica i els orgànuls cel·lulars. D’altra banda, les grans macromolècules que forma el carboni permeten que una de sola pugui contenir tota la informació sobre com és i com funciona un organisme. D’aquesta manera, si es replica, es pot transmetre aquesta informació als descendents, acció imprescindible per a la continuïtat de la vida. • L’hidrogen és l’altre element que resulta indispensable per formar la matèria orgànica*. Entre l’hidrogen i el carboni es forma un enllaç covalent prou fort per ser estable, però no tant com per impedir que es trenqui. Les molècules que estan formades únicament per carboni i hidrogen són covalents apolars, és a dir, són insolubles en aigua. • L’ oxigen és el bioelement primari més electronegatiu. Per això, quan s’enllaça amb l’hidrogen atrau cap a si l’únic electró de l’hidrogen i s’originen pols elèctrics. A causa d’això, els radicals OH, CHO i COOH són radicals polars. Quan aquests substitueixen alguns hidrògens d’una cadena hidrocarbonada, poden donar lloc a molècules com ara la glucosa (C6H12O6), que són solubles en líquids polars com l’aigua. • El nitrogen es troba bàsicament formant els grups amino (NH2) dels aminoàcids* i de les bases nitrogenades dels àcids nucleics. • El sofre es troba principalment en forma de radical sulfhidril (SH) en moltes proteïnes. Aquests radicals formen enllaços que mantenen l’estructura de les proteïnes. • El fòsfor es troba bàsicament constituint grups fosfat (PO4)3 units entre si PO3~PO3 ~PO32. Quan es trenca l’enllaç entre dos grups fosfats, tal com passa en la molècula anomenada ATP, s’allibera molta energia. unitat 1

4.2. Els bioelements secundaris Els bioelements secundaris tenen diferents funcions. S’hi poden distingir els que són abundants i els que solen ser oligoelements. Els més abundants són el Na, el K, el Mg i el Ca. Els ions Naⴙ, Kⴙ i Clⴚ són els més abundants en els medis interns i, a l’interior de les cèl·lules, intervenen en el manteniment del grau de salinitat i en l’equilibri de càrregues elèctriques a una banda i l’altra de la membrana plasmàtica. • El sodi (Na) i el potassi (K) són fonamentals en la transmissió de l’impuls nerviós. • El magnesi (Mg2) és un component de molts enzims i del pigment clorofil·la. • El calci, en forma de carbonat (CaCO3), dóna lloc a les closques dels mol·luscs i als esquelets de molts altres animals i, com a ió (Ca2), actua en moltes reaccions, com ara en els mecanismes de la contracció muscular. Entre els oligoelements cal esmentar, per la importància de les funcions que exerceixen, el Fe, el Zn, el Cu, el Co, el Mn, el Li, el Si, el I i el F. El ferro és necessari per sintetitzar l’hemoglobina de la sang; el zinc s’associa a l’acció de l’hormona insulina, que regula la concentració de sucre a la sang; el coure es requereix per formar l’hemocianina, el pigment respiratori de molts invertebrats aquàtics; el cobalt fa falta per sintetitzar la vitamina B12; el manganès actua com a factor de creixement; el liti actua incrementant la secreció dels neurotransmissors i per això afavoreix l’estabilitat de l’estat d’ànim; el silici dóna rigidesa a les tiges de les gramínies i dels equisets; el iode és necessari per formar l’hormona tiroxina, responsable del ritme del metabolisme energètic, i el fluor es troba a l’esmalt de les dents i als ossos.

Activitats 13 Per què el carboni i no el silici ha permès la matèria viva? 14 Signifiquen el mateix matèria viva que matèria orgànica? 15 Per què l’oxigen permet obtenir tanta energia a partir de la matèria orgànica? 16 Per què el fòsfor permet emmagatzemar energia d’ús immediat? 17 Per què hi ha bioelements que són indispensables malgrat que tan sols n’hi ha traces? 18 Per què es creu que la vida va aparèixer en el medi aquós? 19 Corregeix el text següent: «El carboni, l’oxigen, l’hidrogen i el nitrogen són oligoelements de pes atòmic baix, fet que els impedeix formar enllaços covalents. Són elements escassos a les capes més externes de la Terra i els compostos químics que formen no es dissolen bé en aigua.»

A FONS La formulació orgànica Els hidrocarburs són les molècules formades per àtoms de C i de H. Poden formar cadenes lineals, les anomenades cadenes alifàtiques, i cadenes tancades, les anomenades cadenes cícliques, pròpies dels compostos aromàtics. En les cadenes alifàtiques, si tan sols hi ha enllaços simples entre els carbonis, s’anomenen segons el nombre de carbonis: metà (CH4), età (C2H6), propà (C3H8), butà (C4H10), pentà (C5H12), hexà (C6H14), heptà (C7H16), octà o benzina (C8H18), etc. Si hi ha un doble enllaç, la terminació és en -è, i si és triple, la terminació és en -í. S’ha d’especificar amb un nombre el primer carboni de l’enllaç no simple, per exemple, 1-butè (CH2CHCH2CH3). Si un radical hidrogen (H) és substituït per un radical alcohòlic o hidroxil (OH), la terminació és en -ol o -ílic; per exemple, etanol o alcohol etílic (CH3CH2OH), propantriol o glicerina (CH2OHCHOHCH2OH); si ho és per un grup amino (NH2), la terminació és -amina; per exemple, l’etanamina (CH3CH2NH2), i si ho és per un grup metil (CH3), etil (CH2CH3), etc., s’anteposa com a prefix; per exemple, el 2-metil-1 3-butadiè, també anomenat isoprè (CH2C(CH3)CHCH2). Si presenta un grup cetònic (CO), la terminació és en -ona; com per exemple, la propanona o acetona (CH3COCH3). Si presenta un grup aldehid (CHO), la terminació és -al o aldehid; per exemple, el propanal o gliceraldehid (CH3CH2CHO). Si presenta un grup àcid o carboxil (COOH), la terminació és en -oic; per exemple, l’àcid etanoic o àcid acètic (CH3COOH). 1. Formula els compostos següents: metanal, alcohol propílic, etilè, acetaldehid, àcid butanoic, metanol, àcid metanoic, àcid butíric i àcid etanodioic.

La composició dels éssers vius

Metà CH4

H H C H H

Butà C4H10

CH3 CH2 CH2 CH3 H H H H H C C C C H H H H H

1-propanol CH3 CH2 CH2OH H H H H C C C OH H H H Propanona o acetona CH3 CO CH3 H O H H C C C H H

H

17

5 Els principis immediats o biomolècules

Biomolècules Simples

Si s’efectua una anàlisi física de la matèria viva, de manera que es pugui separar cadascuna de les substàncies que la componen sense que aquestes s’alterin, s’arriba als anomenats principis immediats o biomolècules. Els mètodes utilitzats per dur a terme aquesta anàlisi són l’evaporació, la filtració, la destil·lació, la diàlisi, la cristal·lització, l’electroforesi i la centrifugació.

Oxigen molecular (O2) Nitrogen molecular (N2) Compostes Inorgàniques

Orgàniques

Aigua (H2O) Diòxid de carboni (CO2) Sals minerals (NaCl, CaCO3...)

Glúcids, constituïts per C, H i O Lípids, constituïts bàsicament per C i H Proteïnes, constituïdes per C, H, O, N i S Àcids nucleics, constituïts per C, H, O, N i P

Principis immediats o biomolècules.

Els principis immediats poden ser simples o compostos. S’anomenen simples quan les molècules estan formades per àtoms del mateix tipus, com és el cas de l’oxigen (O2), i compostos quan hi ha àtoms de diferents elements, com ara l’aigua (H2O). Els principis immediats compostos poden ser inorgànics, com l’aigua, les sals minerals (carbonats, fosfats, etc.) i el diòxid de carboni (CO2), i orgànics, és a dir, constituïts bàsicament per polímers de carboni i hidrogen, com ara els glúcids, els lípids, les proteïnes i els àcids nucleics.

6 L’aigua L’aigua és la substància química més abundant en la matèria viva. En els humans adults representa el 63% del seu pes; en l’embrió humà, el 94% i en les algues, el 95%. Entre els límits inferiors hi ha els ossos, amb el 22%; algunes llavors, amb el 20%, i la dentina de les dents, amb tan sols el 10%. Hi ha una relació directa entre el contingut en aigua i l’activitat fisiològica d’un organisme. Els percentatges més baixos es donen en éssers amb vida latent, com ara llavors, espores, etc. L’aigua es troba en la matèria viva en tres formes:

Estructura de la molècula d’aigua

• Com a aigua circulant; per exemple, a la sang, a la saba, etc. • Com a aigua intersticial, entre les cèl·lules, sovint força adherida a la substància intercel·lular («aigua d’imbibició»), com succeeix en el teixit conjuntiu. • Com a aigua intracel·lular, al citosol i a l’interior dels orgànuls cel·lulars.

H 105° 0,96 Å O

      

 

  

H

En els éssers humans, l’aigua circulant representa el 8% del seu pes; l’aigua intersticial, el 15%, i l’aigua intracel·lular, el 40%.

   



 

  

 

 

Estructura de l’aigua líquida      



 

 

Enllaç d’hidrogen

  

La molècula d’aigua i els polímers de molècules d’aigua.

18

  

Els organismes poden aconseguir l’aigua directament a partir de l’aigua exterior o a partir d’altres biomolècules per mitjà de diferents reaccions bioquímiques; és el que s’anomena aigua metabòlica. Per exemple, a partir de l’oxidació de la glucosa, es produeix aigua: C6H12O6  6O2 → 6CO2  6H2O L’aigua, a temperatura ambient, és líquida, al contrari del que caldria esperar, si es considera que altres molècules d’un pes molecular semblant, com el CO2, el NO2, el SO2, etc., són gasos. Aquest comportament físic és degut al fet que en la molècula d’aigua els dos electrons dels dos hidrògens estan desplaçats cap a l’àtom d’oxigen. Per això en la molècula apareix un pol negatiu, on hi ha l’àtom d’oxigen, a causa de la densitat electrònica més alta, i dos pols positius, on hi ha els dos nuclis d’hidrogen, a causa de la densitat electrònica més baixa. Així doncs, les molècules d’aigua són dipolars. Entre els dipols de l’aigua s’estableixen forces d’atracció anomenades enllaç d’hidrogen, que originen grups de tres, quatre i fins a poc més de nou molècules. Amb això, s’assoleixen pesos moleculars alts i el H2O es comporta com un líquid. Aquestes agrupacions duren fraccions de segon (de 1010 a 1021 s), la qual cosa confereix a l’aigua totes les seves propietats de fluid. En realitat, coexisteixen aquests petits polímers d’aigua amb molècules aïllades que omplen els buits. unitat 1

6.1. Característiques fonamentals de l’aigua • Elevada força de cohesió entre les molècules gràcies als enllaços d’hidrogen. Això explica que l’aigua sigui un líquid gairebé incompressible, idoni per donar volum a les cèl·lules, provocar la turgència de les plantes, constituir l’esquelet hidrostàtic d’anèl·lids i celenterats, etc. També explica que l’aigua tingui una elevada tensió superficial, és a dir, que la seva superfície oposi una gran resistència a trencar-se. Això permet que molts organismes visquin associats a aquesta pel·lícula superficial i que la saba bruta ascendeixi pels tubs capil·lars. El fenomen de la capil·laritat depèn tant de l’adhesió de les molècules d’aigua a les parets dels conductes com de la cohesió de les molècules d’aigua entre si. • Elevada calor específica*. La temperatura d’un cos és donada pel grau d’agitaCalor específica. Quantitat de calor ció de les seves molècules. Com que les molècules d’aigua formen polímers, que s’ha de donar a una substància perquè estiguin lliures i agitades cal trencar molts enllaços d’hidrogen. Per tant, química determinada per augmentar-ne la temperatura. per augmentar la temperatura de l’aigua s’ha d’escalfar molt. Per això l’aigua té una elevada calor específica. Això la converteix en estabilitzador tèrmic de l’orCalor de vaporització. Quantitat de calor que s’ha de donar ganisme davant dels canvis bruscos de temperatura de l’ambient. a una substància determinada • Elevada calor de vaporització*. Això és degut al fet que per passar de l’estat líper aconseguir que canviï d’estat quid al gasós cal trencar tots els enllaços d’hidrogen, cosa que la converteix en i passi a l’estat gasós. una bona substància refrigerant quan s’evapora, que és el que passa amb la suor. • Densitat més alta en estat líquid que en estat sòlid. Això explica que el gel floti a l’aigua i que formi una capa superficial termoaïllant que permet la vida a sota, en rius, mars i llacs. Si el gel fos més dens que l’aigua, al final es gelaria tota l’aigua. • Elevada constant dielèctrica. Pel fet de tenir molècules dipolars, l’aigua és un gran medi dissolvent de compostos iònics, com les sals SOLUBILITZACIÓ H2O minerals, i de compostos covaNaCl lents polars, com els glúcids. El procés de dissolució és degut al fet      que les molècules d’aigua, com   H O    Na 2 Na  que són polars, es disposen al vol         Cl tant dels grups polars del solut; en         el cas dels compostos iònics, ar Cl       riben a desdoblar-los en anions     i cations, que així queden envol     tats per molècules d’aigua. Aquest        fenomen s’anomena solvatació iònica. Acció dissolvent de l’aigua sobre Aquesta capacitat dissolvent de l’aigua i la seva abundància en el medi natural els compostos iònics i solvatació expliquen que sigui el vehicle de transport de moltes substàncies i el medi on es d’aquests. fan totes les reaccions químiques de l’organisme, com per exemple la digestió dels aliments i la distribució dels nutrients resultants. • Baix grau d’ionització. De cada 10.000.000 de molècules d’aigua, només una es troba ionitzada: H2O → 2 H  OH Això explica que la concentració d’ions hidrogen (H) i d’ions hidroxil (OH) sigui de només 107 mols per litre. Atesos els baixos nivells de H i de OH, si s’afegeix a l’aigua un àcid (s’hi afegeix H) o una base (s’hi afegeix OH), encara que sigui molt poca quantitat, aquests nivells varien bruscament. Un ió hidrogen H és simplement un protó. En l’aigua s’ajunta a una molècula de H2O i forma un ió hidroni (H3O). Per tant, hi ha una equivalència entre els termes ió hidrogen, ió hidroni i protó. ⴙ

ⴙ

ⴚ

ⴚ

La composició dels éssers vius

19

6.2. Funcions de l’aigua en els éssers vius A causa de les peculiaritats de l’aigua, aquesta exerceix funcions importants en els organismes vius. Les més importants són:

Hidròlisi. Ruptura d’enllaços amb la intervenció de l’aigua.

Activitats 20 Totes les característiques fonamentals de l’aigua es deriven d’una sola propietat. Quina? 21 Quina diferència hi ha, a nivell molecular, entre l’aigua que actua com a funció dissolvent i la que actua en una hidròlisi?

• Funció dissolvent i de transport de les substàncies. A l’aigua, medi aquós, tenen lloc gairebé totes les reaccions biològiques. Això li permet ser el mitjà de transport de les substàncies des de l’exterior fins a l’interior dels organismes i en el mateix organisme. • Funció bioquímica. L’ aigua intervé en nombroses reaccions químiques, per exemple, en la hidròlisi* que es dóna durant la digestió dels aliments, en la fotosíntesi com a font d’hidrogen, etc. • Funció estructural. El volum i la forma de les cèl·lules que estan mancades de membrana rígida es mantenen gràcies a la pressió que exerceix l’aigua interna. Quan les cèl·lules perden aigua, perden la turgència natural, s’arruguen i fins i tot es poden trencar (lisi). • Funció mecànica amortidora. Per exemple, els vertebrats tenen a les articulacions mòbils bosses de líquid sinovial que evita el fregament entre els ossos. • Funció termoreguladora. És deguda a la seva elevada calor específica i a la seva elevada calor de vaporització. Per exemple, els animals, quan suen, expulsen aigua, la qual, en evaporar-se, pren calor del cos i, com a conseqüència, aquest es refreda.

Funció estructural de l’aigua. Gràcies a l’aigua que hi ha a l’interior del seu cos, el cuc pot assolir la consistència per excavar la terra.

Funció dissolvent i de transport de les substàncies que nodreixen les plantes. Funció bioquímica durant la fotosíntesi.

Funció mecànica amortidora, que evita el fregament entre els ossos de les gaseles, quan salten. 20

Funció termoreguladora de l’aigua. En evaporar-se l’aigua de la suor, el cos de l’atleta es refreda. unitat 1

7 Les sals minerals

Activitats

Les sals minerals es poden trobar en els éssers vius de tres formes: precipitades, dissoltes o associades a substàncies orgàniques.

22 Per què a temperatura ambient l’aigua és un líquid, si el CO2 és un gas?

• Les sals minerals precipitades constitueixen estructures sòlides, insolubles, amb funció esquelètica. Per exemple, el carbonat càlcic de les closques dels mol·luscs; el fosfat càlcic, Ca3(PO4)2 i el carbonat càlcic que, dipositats sobre el col·lagen, constitueixen els ossos; la sílice (SiO2) dels exosquelets de les diatomees i de les gramínies, etc.

23 Per què l’aigua té una elevada tensió superficial, una elevada calor específica, una elevada calor de vaporització, més densitat en estat líquid que en estat sòlid, una elevada constant dielèctrica i un baix grau d’ionització? 24 Per què l’aigua és un gran dissolvent? Per què no dissol els hidrocarburs? 25 La fórmula H2O no correspon realment a l’aigua líquida. Per què? 26 Què vol dir ions antagònics? Posa’n exemples.

Solució fisiològica de Ringer (per a amfibis)

Les sals minerals precipitades formen estructures sòlides en els éssers vius.

• Les sals minerals dissoltes donen lloc a anions i cations. Els més importants són: Cations: Na, K, Ca2 i Mg2 Anions: Cl, SO42, PO43, CO32, HCO3 i NO3 Aquests ions mantenen un grau de salinitat constant dins de l’organisme, i també l’ajuden a mantenir constant el grau d’acidesa (pH). Els líquids biològics, malgrat que estan constituïts bàsicament per aigua, a penes no varien el grau d’acidesa per l’addició d’àcids o bases. En part, això és degut al fet que aquests líquids contenen sals minerals que es poden ionitzar en més o menys grau i donar lloc a ions H o a ions OH, fet que contraresta l’efecte de les bases o els àcids afegits. Aquest fenomen s’anomena efecte tampó, i aquestes dissolucions s’anomenen dissolucions tampó o amortidores. D’altra banda, cada ió exerceix funcions específiques i, de vegades, antagòniques; per exemple, l’ió K augmenta la turgència de la cèl·lula, mentre que l’ió Ca2 la minva. Això es dóna perquè el K afavoreix la captació de molècules d’aigua (imbibició) al voltant de les partícules citoplasmàtiques, mentre que el Ca2 la dificulta. Un altre exemple és el cor de la granota, que s’atura en sístole si hi ha excés de Ca2, i en diàstole si l’excés és de K. El Ca2 i el K són, doncs, ions antagònics. El medi intern dels organismes presenta unes concentracions iòniques constants. Una variació provoca alteracions de la permeabilitat, l’excitabilitat i la contractilitat de les cèl·lules. Són conegudes les solucions fisiològiques de Ringer i de Tyrode, en les quals es pot mantenir un òrgan en funcionament, i la solució nutritiva d’Arnon per a conreus hidropònics. • Les sals minerals associades a substàncies orgàniques se solen trobar juntament amb proteïnes, com les fosfoproteïnes; juntament amb lípids, com els fosfolípids, i també amb glúcids, com l’agar. La composició dels éssers vius

NaCl KCl CaCl2 NaHCO3 H2O

6,0 g 0,2 g 0,2 g 0,1 g fins a 1 litre

Solució fisiològica de Tyrode (per a mamífers) NaCl KCl CaCl2 MgCl2 NaHCO3 NaH2PO4 Glucosa H2O

8,00 g 0,20 g 0,20 g 0,10 g 1,00 g 0,05 g 1,00 g fins a 1 litre

Solució nutritiva d’Arnon (per a conreus hidropònics) KNO3 Ca(NO3)2 NH4H2PO4 MgSO4  7 (H2O) H3BO3 MnCl2  4 (H2O) CuSO4  5 (H2O) ZnSO4  7 (H2O) H2MoO4  (H2O) FeSO4  7 (H2O) Àcid tartàric H2O

1,02000 g 0,49200 g 0,23000 g 0,49000 g 0,00286 g 0,001810 g 0,000008 g 0,000022 g 0,000009 g indicis indicis fins a 1 litre

Solucions fisiològiques i nutritives. 21

8 Les dissolucions

i les dispersions col·loïdals Els líquids que hi ha en els éssers vius contenen molts tipus de molècules disperses o soluts i un sol tipus de fase dispersant o dissolvent, que és l’aigua. Els soluts poden ser de pes molecular (PM) baix (s’anomenen cristal·loides), com per exemple el clorur sòdic (PM  58,5) i la glucosa (PM  180); o poden ser de pes molecular elevat, d’uns quants milers (s’anomenen col·loides). Aquests poden ser macromolècules com, per exemple, la proteïna albúmina (PM  entre 30.000 i 100.000), o poden ser micel·les (agrupació de moltes molècules petites), com per exemple, els grups de molècules aïllats entre si que es formen en posar fosfolípids en aigua. Les dispersions de soluts de pes molecular baix s’anomenen dissolucions, i les de pes molecular elevat s’anomenen dispersions col·loïdals. Així, una substància pot ser insoluble en aigua però pot ser dispersable en aigua, com passa amb els fosfolípids.

8.1. Propietats de les dissolucions pH. Logaritme decimal canviat de signe de la concentració d’ions d’hidrogen. pH  log[H]

Les propietats de les dissolucions amb més interès en biologia són: la difusió, l’osmosi i l’estabilitat del grau d’acidesa o pH*. • Difusió. És la repartició homogènia de les partícules d’un fluid (gas o líquid) en el si d’un altre en posar-los en contacte. Aquest procés és degut al moviment constant en què es troben les partícules de líquids i gasos. L’ absorció o dissolució d’oxigen a l’aigua és un exemple de difusió. • Osmosi. És el pas del dissolvent entre dues solucions de concentració diferent a través d’una membrana semipermeable que impedeix el pas de les molècules de solut. El dissolvent, que en els éssers vius és l’aigua, es mou des de la dissolució més diluïda fins a la més concentrada, ja que el percentatge de molècules d’aigua és més alt en la solució més diluïda. Per tant, el nombre de xocs d’aquestes molècules contra la membrana és superior en el medi més diluït. Apareix així un impuls d’aigua cap a la més concentrada, l’anomenada pressió osmòtica.

Processos d’osmosi.

Cèl·lula en una solució hipertònica Solució hipotònica

Plasmòlisi

Solució hipertònica Membrana semipermeable

Pas d’aigua Solució hipotònica Solució hipertònica

Cèl·lula en una solució hipotònica

22

Turgència

La membrana citoplasmàtica és una membrana semipermeable i dóna lloc a diferents respostes davant de la pressió osmòtica del medi extern. Si aquest és isotònic respecte del medi intern cel·lular, és a dir, té la mateixa concentració, la cèl·lula no es deforma. Si el medi extern és hipotònic (menys concentrat), la cèl·lula s’infla (turgència) perquè hi entra aigua a l’interior. Si el medi extern és hipertònic (més concentrat), la cèl·lula perd aigua i s’arruga i la membrana pot acabar trencant-se (plasmòlisi). Els processos d’osmosi expliquen com les plantes aconsegueixen absorbir grans quantitats d’aigua del sòl, i per què l’aigua del mar no fa passar la set, ja que, com que conté més sals que el medi intracel·lular, provoca la pèrdua d’aigua en les cèl·lules. unitat 1

Dissolució àcida

Dissolució neutra

Dissolució bàsica

Alta concentració d’ions hidrogen H

H

H H H H

OH

H

H

H

Alta concentració d’ions hidroxil

OH OH



OH

H

0

1

Àcid clorhídric

2

3

4

Suc de llimona

Àcids de l’estómac

OH

H

H

increment acidesa

5

H H



6

OH

OH

OH

7

8

9

Sang Aigua

Vinagre

OH

OH

H

Cafè

OH

OH

Increment alcalinitat



10

11

12

13

H OH

14

Dissolució sabonosa

Bicarbonat sòdic

• Estabilitat del grau d’acidesa o pH. Antigament, una dissolució era considerada àcida quan tenia un gust semblant al del vinagre, i bàsica quan era semblant al de la sosa (NaOH). El 1909, Sörensen va establir el concepte de pH per valorar quantitativament el grau d’acidesa, i el de pOH per al grau de basicitat de la dissolució. Els valors del pH oscil·len entre 0 i 14. Així, segons si superen o no el valor mitjà de 7, podem distingir els tipus de dissolucions següents:

Hidròxid sòdic

L’escala del pH. El H en realitat s’associa a un H2O i forma H3O.

[H]  107 mols de H/ litre → pH 7 (dissolució bàsica). [H]  107 mols de H/ litre → pH  7 (dissolució neutra). [H] 107 mols de H/ litre → pH  7 (dissolució àcida). Tots els éssers vius mantenen constant el pH del seu medi intern. Això s’aconsegueix, sobretot, gràcies a les sals minerals dissoltes, que constitueixen les dissolucions tampó. Si el pH variés, moltes reaccions químiques canviarien el sentit de reacció, i molts enzims precipitarien, amb la qual cosa es provocarien trastorns greus i, fins i tot, la mort. Un exemple de dissolució tampó són els ions dihidrogen fosfat (H2PO4) i monohidrogen fosfat (HPO42), que es troben en equilibri. S’anomenen sistema tampó fosfat. Aquest sistema manté el pH intern cel·lular constant en 7,2, i està interrelacionat amb els fosfats orgànics, com l’ATP. acidifica

H2O  H2PO4 ––––––––→ HPO42  H3O ––––––––→ neutralitza

Si en la cèl·lula augmentés l’acidesa [H], la reacció es desplaçaria cap a l’esquerra; i si disminuís, la reacció es desplaçaria cap a la dreta. Així s’amortirien les variacions. Un altre exemple és el sistema tampó bicarbonat: acidifica

H3O  HCO3 ––––––––→ H2CO3 ––––––––→ CO2  2H2O ––––––––→

––––––––→ neutralitza

L’ àcid carbònic (H2CO3) és molt inestable i de seguida es descompon en CO2  H2O. Davant d’una acidosi a la sang (excés de H), el HCO3 s’uneix a l’excés de H i dóna H2CO3, que es descompon immediatament en CO2  2H2O. La composició dels éssers vius

23

8.2. Propietats de les dispersions col·loïdals

Fase dispersant

SOL

−−−−−−−−−−−−→ Gelificació

−−−−−−−−−−−−−→ GEL

Formes de sol i de gel d’una dispersió col·loïdal.

24

La major part dels líquids dels éssers vius són dispersions col·loïdals; per això és tan important estudiar-ne les propietats. Les principals són: • Capacitat de presentar-se en estat de gel. Les dispersions col·loïdals es poden presentar en dos estats: en forma de sol o estat líquid, i en forma de gel o estat semisòlid. El sol es produeix quan la fase dispersa és un sòlid i la fase dispersant és un líquid. Té aspecte de líquid. El gel es produeix quan la fase dispersa és un líquid i la fase dispersant és un conjunt de fibres entrellaçades entre les quals queden retingudes, per capil·laritat i hidratació, les molècules del líquid. Té aspecte semipastós o gelatinós. De l’estat de sol es pot passar al de gel, però no sempre aquest procés és reversible. El citosol que hi ha a la perifèria de la cèl·lula (ectoplasma) presenta estat de gel, mentre que el citosol interior (endoplasma) presenta estat de sol. El pas de l’ectoplasma a estat de sol permet l’emissió de pseudòpodes i, per tant, el moviment ameboide i la fagocitosi. La transformació de sol en gel, i a l’inrevés, està en relació amb la polimerització o despolimerització, respectivament, de proteïnes fibril·lars. A nivell pluricel·lular, els gels, com que retenen l’aigua, permeten mantenir humides estructures en el medi aeri. Per exemple, la pell dels cargols terrestres. • Elevada viscositat. La viscositat és la resistència interna que presenta un líquid Fase al moviment relatiu de les seves molècudispersa les. Les dispersions col·loïdals són molt col·loïdal viscoses perquè contenen molècules o agrupacions de molècules molt grans. • Elevat poder adsorbent. L’ adsorció és l’atracció que exerceix la superfície d’un sòlid sobre les molècules d’un líquid o d’un gas. La mateixa quantitat de substància exerceix més adsorció si es troba dividida finament. Exemples biològics d’adsorció són els contactes «enzims amb substrats» i els contactes «antigen amb anticòs». S’ha d’evitar confondre l’adsorció, que és l’adhesió de les molècules d’un fluid a una superfície sense penetrar-la, de l’absorció, que n’és la penetració. Exemples d’absorció són la captació d’aigua per part de les arrels i l’enriquiment en oxigen de l’aigua mitjançant l’aireig d’aquesta. • Efecte Tyndall. La mida de les partícules col·loïdals oscil·la entre una mil·limicra i 0,2 micres, que és el límit d’observació amb el microscopi òptic. Així doncs, les dispersions col·loïdals, igual que les dissolucions, poden ser transparents i clares. Però si s’il·luminen lateralment i sobre fons fosc, s’hi observa una certa opalescència provocada per la reflexió dels rajos lluminosos. És un efecte semblant al que passa quan un raig de llum il·lumina la pols d’una habitació que és a les fosques. Si la il·luminació és frontal, la pols ja no resulta apreciable. • Sedimentació. Les dispersions col·loïdals són estables en condicions normals; però si se sotmeten a forts camps gravitatoris, es pot aconseguir que les seves partícules sedimentin. Això es duu a terme en les centrifugadores i en les ultracentrifugadores, que poden assolir les 30.000 i 100.000 revolucions per minut, respectivament. unitat 1

• Diàlisi. És la separació de les partícules disperses d’elevat pes molecular (col·loides) de les de baix pes molecular (cristal·loides), gràcies a una membrana semipermeable que tan sols deixa passar les molècules petites (aigua i cristal·loides), però no les grans. Una aplicació clínica n’és l’hemodiàlisi, que és la separació de la urea de la sang d’individus amb deficiència renal, sense alterar la concentració de les proteïnes sanguínies. • Electroforesi. És el transport de les partícules col·loïdals a través d’un gel gràcies a l’acció d’un camp elèctric. Es fa servir per separar proteïnes i fragments de DNA en les anàlisis bioquímiques. La velocitat de les partícules és més gran com més alta n’és la càrrega elèctrica i com més petita n’és la mida (pes molecular). Se solen utilitzar gels de midó o de poliacrilamida. Ànode Font de corrent continu Poliacrilamida líquida

Aigua destil·lada

Tub de diàlisi que conté col·loides i cristal·loides Membrana semipermeable

Queden els col·loides separats dels cristal·loides

Partícules de cristal·loide. Partícula col·loïdal que no pot travessar el tub de diàlisi.

Mostra de proteïnes bàsiques

Àcid acètic diluït

Càtode Gel de poliacrilamida després de la polimerització

Procés de la diàlisi.

Fracció a Fracció b Solució tampó

−− −− −− −− −→

Es tenyeix amb blau de metilè, que pinta les proteïnes separades

Fracció c

Es destenyeix amb una solució aquosa d’àcid acètic

−−− −−→

Gel de poliacrilamida amb les diferents bandes

Electroforesi d’una proteïna bàsica. En primer lloc, es prepara un gel de poliacrilamida. Després, les proteïnes que s’han de separar es dipositen a l’extrem oposat al càtode si són bàsiques, i es fa passar un corrent continu a través d’una dissolució tampó que amara el gel. Després, es tenyeix el gel amb blau de metilè, amb la qual cosa precipiten les proteïnes ja separades en les diferents bandes. Per observar-les s’ha de destenyir el gel.

En resum, les dispersions col·loïdals es diferencien de les dissolucions en el fet que les partícules poden formar gels, la seva viscositat és alta, són adsorbents, són opalescents o, si són transparents, es tornen opalescents si s’il·luminen lateralment, es pot aconseguir la sedimentació de les partícules disperses per centrifugació i, si hi ha diferents tipus de partícules, aquestes es poden separar per electroforesi. Activitats 27 Què passaria si el medi intern dels organismes no fos una dissolució tampó? Com actua el tampó bicarbonat davant d’una pujada i una baixada de pH? 28 Quin és el pH de dues dissolucions en les quals [H] és 1,4  108 i 4  106? 29 Escriu les diferències existents entre osmosi i diàlisi. 30 Per què una manera de conservar els aliments és cobrir-los amb sal, com es fa amb el bacallà, les anxoves, el pernil, etc.? 31 Per què les fulles d’enciam es posen turgents quan es deixen en aigua i després quan s’amaneixen s’arruguen?

La composició dels éssers vius

32 Per què els gels no s’assequen fàcilment? Esmenta alguns exemples que representin un avantatge per als organismes. 33 Per què l’elevat poder adsorbent és un avantatge en les reaccions bioquímiques? 34 Per què l’osmosi permet l’absorció d’aigua en les plantes i per què l’aigua de mar no sadolla la set? 35 Per què les solucions que s’administren en injecció endovenosa han de ser isotòniques per als glòbuls vermells? Què podria passar si no fos així? 36 De quin tipus són les membranes cel·lulars?

25

Activitats 37 Entre quins tipus d’àtoms es formen enllaços iònics? Per què els compostos iònics es dissolen bé en l’aigua? 38 Entre quins tipus d’àtoms es formen enllaços covalents apolars? Per què les molècules així originades no es dissolen en l’aigua? 39 A què és deguda l’entrada d’aigua a les arrels d’una planta? I l’ascensió de l’aigua cap a les fulles?

44 Quina funció duu a terme l’aigua de la sang, de la limfa, de la saba, del riu i del mar respecte a les larves? I l’aigua de la pluja respecte a les sals del sòl? 45 Què passa quan posem sal sobre la carn? Per què passa això? 46 Per què és necessari que els infants i els adolescents segueixin una dieta rica en calci? 47 Una vegada s’ha extret sang d’un animal es vol constatar el comportament dels glòbuls vermells davant de l’aigua amb diferents concentracions salines. Què passa amb els glòbuls vermells si s’hi afegeix aigua destil·lada? I si s’afegeix aigua saturada de sal? 48 La putrefacció de la carn és un procés degut als bacteris i els fongs que s’alimenten de la matèria orgànica morta. Aquests microorganismes suporten bé el fred i un pH àcid, però no la calor, la manca d’aigua o un pH molt bàsic. Indica per què per evitar la putrefacció del pernil o de les anxoves s’hi afegeix sal. 49 Per què en zones molt àrides, on pràcticament no plou i el sòl és ple de sals, els animals també han d’ingerir sal? 50 Per què l’aigua de mar no serveix per beure? 51 La pressió osmòtica depèn del nombre de molècules dissoltes, independentment de la mida que tinguin. Una de les molècules més abundants a l’interior de la cèl·lula és la glucosa. Aquesta molècula pot originar polímers de centenars de glucoses juntes. Quin avantatge pot comportar la formació d’aquests polímers en el control de la pressió osmòtica?

40 Quin tipus de funció fa l’aigua del líquid cefaloraquidi i del líquid amniòtic que envolta el fetus?

52 Els radicals carboxil COOH i els radicals NH2 dels compostos orgànics es poden ionitzar en aigua de la manera següent: COOH → COO  H

41 Quina funció duu a terme l’aigua de la suor? Per què?

NH2  H2O → NH3OH → NH3  OH

42 Per fer la digestió dels aliments es necessiten molècules d’aigua que trenquin els enllaços que uneixen les seves molècules. Aquest procés en què la molècula d’aigua es trenca en un OH que queda unit a una part i un H que queda unit a l’altra part es diu hidròlisi. Quin tipus de funció fa aquí l’aigua?

Indica que passarà si afegim al medi un àcid i una base.

43 Les fulles presenten, a l’epidermis transparent i impermeable, unes estructures anomenades estomes que permeten l’entrada i la sortida de gasos. Els estomes estan formats per un parell de cèl·lules que si s’inflen d’aigua es deformen i obren un espai que hi ha entre elles, i si contenen poca aigua es desinflen i el tanquen. Quina funció fa l’aigua d’aquestes cèl·lules de l’estoma?

53 Quines de les molècules següents són solubles en aigua i quins són els noms de totes elles? C4H10, CH3CH2OH, C8H18 , C6H6 (benzè), CH3COOH i NaCl

www 54 Fes les dues primeres activitats que trobaràs a la web http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/ biomol/actividades.htm 55 Entra a la web http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/ alumno/2bachillerato/biomol/actividades.htm i de l’apartat d’Activitats d’investigació fes les activitats 1, 2 i 3.

Estoma

56 Fes el test 1 sobre aigua i sals minerals, que trobaràs a la web http://perso.wanadoo.es/sancayetano2000/biologia/ pags/items/ 57 Fes els tests 1, 2, 3, 4, 5 i 6 sobre bioelements, aigua i sals minerals que trobaràs a la web http://www.educa.madrid. org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/bio_ejercicios.htm

26

unitat 1

Interpretació de Ampliación dades Actividades de 58 Els éssers vius ocupen la part inferior de l’atmosfera, tota la hidrosfera i la part superficial de la litosfera. Atès que els éssers vius, per constituir el seu cos, obtenen els elements químics del medi en què es troben, caldria esperar que la seva composició química s’assemblés a la d’aquestes tres capes. BIOSFERA

90

c) Quins bioelements primaris no són elements molt abundants en algunes d’aquestes capes?

80 62

d) Per què l’evolució química els ha seleccionat per constituir els organismes si no són abundants?

60 50

59 El medi intern dels organismes presenta unes concentracions iòniques constants. Una petita variació pot provocar greus alteracions en les cèl·lules. Observa el quadre de la pàgina 21 i respon:

40 30

20

20

10

10 0

3 O

C

H

N

2,5

1,1 0,2

0,1 0,1

Ca

P

S

Cl

K

0,1 0,1 0,01 0 Na Mg Fe

Si

0 Al

% 100 78

80

a) Quina dissolució té el percentatge més alt de sals i quina té el més baix? Quina pot ser la raó d’aquestes diferències? b) Totes les dissolucions contenen matèria orgànica que pugui servir d’aliment a les cèl·lules? Si no és així, quina n’és la raó?

ATMOSFERA

90

70

c) Totes les dissolucions contenen substàncies que puguin mantenir constant el pH del medi? Quines substàncies són?

60 50

d) Per què la dissolució d’Arnon conté tants compostos diferents, encara que sigui en quantitats ínfimes, quan els teixits vegetals no són tan delicats com els animals?

40 30 20 10

a) Quins bioelements primaris són elements molt abundants en algunes d’aquestes capes? b) Quines molècules constitueixen els bioelements anteriors en els éssers vius?

% 100

70

A partir de la composició d’aquestes capes i dels organismes vius, expressada en aquests histogrames, respon:

2,1 0,03 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0 O

C

H

N

Ca

P

Cl

S

K

Na Mg Fe

Si

Al

60 Per saber el contingut en aigua de dos tipus d’aliments s’han pesat i s’han introduït en una estufa de dessecació durant 7 dies. Cada dia s’han pesat i els resultats obtinguts són els següents:

% 100 LITOSFERA

90 80 70 60 50

27,7

30 20 10

0,2 0,1 O

C

H

0 N

3,6 Ca

0,1 P

0 Cl

0,04 2,6 2,8 S

K

2,1

8,1

5

Na Mg Fe

Si

HIDROSFERA

90

20 g

30 g

1r dia

8,1 g

16,5 g

2n dia

5,2 g

13,0 g

3r dia

3,7 g

12 g

4t dia

2,7 g

11,1 g

5è dia

2,1 g

10,4 g

6è dia

2,0 g

10,3 g

7è dia

2,0 g

10,3 g

Observa les dades de la taula i respon:

80

a) Representa gràficament com ha anat canviant el pes d’aquests aliments.

66

70 60

b) Quin percentatge d’aigua contenien aquests dos aliments al principi?

50 33

c) Representa gràficament com ha anat canviant el percentatge d’aigua d’aquests aliments.

30 20 10 0

Pes inicial

Al

% 100

40

Carn

46,5

40

0

Espinacs

0

0 O

C

H

La composició dels éssers vius

N

0 Ca

0 P

0,33 0,02 0,01 0,3 0,03 Cl

S

K

0

Na Mg Fe

0 Si

0 Al

d) Com es pot saber si ja s’ha arribat a deshidratar pràcticament l’aliment? e) Quina conclusió final es pot deduir?

27

Laboratori Dissolucions, aigua i sals minerals Material: deu tubs d’assaig, dos vasos de precipitats de 250 cm3, pipetes, aparell elèctric per mesurar el pH, paper per mesurar el pH (preferentment per a variacions entre 5 i 9), microscopi, portaobjectes i cobreobjectes. Productes químics: aigua destil·lada, àcid clorhídric al 5 %, hidròxid sòdic al 20 %, dissolució saturada de clorur sòdic, dissolució de clorur sòdic a l’1 %, vinagre o àcid acètic, bicarbonat sòdic, sulfat de coure a l’1 % i dissolució de AgNO3 a l’1 %. Productes naturals: col llombarda, dos ous de gallina, os llarg de pollastre, closca de cloïssa, closca de cranc i esquelets d’insectes.

Les variacions de pH En general, les variacions de pH no són visibles a ull nu. Es necessiten reactius especials que canvien de color segons el pH, o bé aparells electrònics (pHmetres). Algunes substàncies naturals canvien de color quan varia el pH; per exemple, el pigment morat present a la col llombarda. Talla finament un tros de fulla de col llombarda i afegeix-hi 10 cm3 d’aigua. Deixa-ho macerar deu minuts. Les dissolucions tampó Per conèixer si una dissolució és una dissolució tampó, s’hi pot anar afegint un àcid o una base i observar si el pH varia lentament o no. Agafa dos tubs d’assaig; en un, posa-hi aproximadament uns 10 cm3 d’aigua amb una mica de bicarbonat sòdic dissolt, i en l’altre, 10 cm3 d’aigua destil·lada. Amb un pHmetre o un paper mesurador de pH (per a valors entre 5 i 9), mesura els valors de pH dels dos medis. Després afegeix a cada tub gotes de HCl al 5 % i torna a observar el pH, després de cada addició. Processos d’osmosi Per comprovar processos d’osmosi macroscòpicament es pot fer servir un ou de gallina i, per fer-ho microscòpicament, les cèl·lules de la col llombarda. Introdueix un ou de gallina en una dissolució de 50 cm3 d’àcid acètic en 150 cm3 d’aigua destil·lada. En lloc d’aquesta dissolució es pot fer servir vinagre. Al cap d’unes hores la closca s’haurà dissolt i una part de les proteïnes haurà coagulat per efecte de l’acidesa. Aleshores, canvia el medi i substitueix-lo per aigua destil·lada.

Ara, agafa una fulla de la col llombarda. Munta tres preparacions microscòpiques. Amb l’ajut d’una fulla d’afaitar, fes tres talls longitudinals procurant que hi hagi cèl·lules que continguin el pigment morat als vacúols. Aboca-hi sobre un aigua destil·lada; sobre un altre, aigua corrent, i sobre l’altre, aigua saturada de sal. Diàlisi Per separar les molècules grans (macromolècules) de les petites (cristal·loides), s’ha de fer servir una membrana especial, semblant a la cel·lofana, que venen en forma de tub o cinta buida. Talla un tros de tub per a diàlisi i deixa’l en aigua 24 hores. Quan l’hagis de fer servir, fes un nus en un dels extrems i introdueix-hi una dissolució d’albúmina d’ou. Aquesta es pot obtenir dispersant una clara d’ou en 200 cm3 de NaCl a l’1 %. Fes un altre nus a l’altre extrem i introdueix-lo en aigua destil·lada. Al cap d’un o dos dies, comprova si dins i fora del tub hi ha o no albúmina i NaCl. Per comprovar la presència d’albúmina, agafa 2 cm3 de dissolució, afegeix-hi 2 cm3 d’una dissolució de NaOH al 20 %, i després unes gotes d’una altra dissolució de sulfat de coure a l’1 %. Si apareix el color violeta, és que hi ha albúmina. Aquesta anàlisi s’anomena prova Biuret. Per comprovar la presència de NaCl, agafa 2 cm3 de dissolució i afegeix-hi unes gotes d’una dissolució de AgNO3 a l’1 %. Si apareix un precipitat blanc, és que hi ha Na. Existència de sals minerals en els esquelets Per esbrinar si la rigidesa d’una estructura esquelètica és deguda o no a les sals minerals, es pot aprofitar l’acció dissolvent dels àcids sobre les sals. Posa un os llarg de pollastre (col·lagen i sals minerals), una closca de cloïssa (CaCO3), una closca de cranc (quitina i CaCO3) i l’exosquelet d’un insecte (quitina) en una dissolució d’àcid clorhídric al 10 % en volum. Deixa passar uns dies i anota el que veus.

Practica 61 LES VARIACIONS DE PH. A 5 cm3 del líquid obtingut, afegeix-hi unes gotes de vinagre. Què ha succeït? A 5 cm3 d’aquest líquid, afegeix-hi unes gotes d’hidròxid sòdic al 20 %. Què ha succeït? Com es podria fer servir aquesta propietat en les anàlisis químiques? 62 LES DISSOLUCIONS TAMPÓ. Quin líquid ha variat abans de pH? Per què? 63 PROCESSOS D’OSMOSI. Què s’hi observarà al cap de dos dies? L’ou

28

haurà augmentat o disminuït de mida? Per què? Què passarà en cadascuna de les preparacions? Justifica la resposta. 64 DIÀLISI. Quins són els resultats que has observat? Què ha succeït? Justifica la resposta. 65 EXISTÈNCIA DE SALS MINERALS EN ELS ESQUELETS. Què ha passat en cada cas? Per què? A què és deguda la flexibilitat dels ossos dels éssers que acaben de néixer? A què és deguda la fragilitat dels ossos dels organismes vells?

unitat 1

Els glúcids

2

CONTINGUTS

1 2 3 4 5

Característiques dels glúcids Els monosacàrids Els disacàrids Els polisacàrids Els glúcids associats a altres tipus de molècules

Els glúcids són les biomolècules orgàniques més abundants dels vegetals. Aquests tenen les estructures esquelètiques de cel·lulosa; les reserves energètiques, de midó, i la saba elaborada, amb un alt contingut de sacarosa. • Saps quin dels glúcids anteriors té funció estructural? Paret cel·lular i granuls de midó (colors afegits).

1 Característiques dels glúcids 1.1. El concepte de glúcid Els glúcids són biomolècules formades bàsicament per carboni (C), hidrogen (H) i oxigen (O), en una proporció semblant a CnH2nOn , és a dir, (CH2O)n. El terme glúcid prové del grec glykys, que significa ‘dolç’. Reben aquest nom perquè algunes d’aquestes biomolècules tenen gust dolç. També se solen anomenar hidrats de carboni o carbohidrats per la proporció entre els àtoms (CH2O)n. Aquest nom no és gaire apropiat ja que no es tracta d’àtoms de carboni hidratats, és a dir, enllaçats a molècules d’aigua, sinó d’àtoms de carboni units a grups alcohòlics (OH), també anomenats radicals hidroxil, i a radicals hidrogen (H). En tots els glúcids sempre hi ha un grup carbonil, és a dir, un carboni unit a un oxigen mitjançant un doble enllaç. El grup carbonil pot ser un grup aldehid (CHO), o un grup cetona (CO). Així doncs, els glúcids es poden definir com a polihidroxialdehids o polihidroxicetones. OH OH OH OH O …

C

C

C

C

C

H H H H

Els glúcids també reben el nom de sucres. Són presents en aliments dolços, com ara la mel i la fruita, i també en altres aliments que no tenen gust dolç, com ara les patates, els llegums i els cereals.

Activitats 1 Què tenen en comú el grup aldehid i el grup cetona? 2 Com podem saber si un glúcid és un monosacàrid gran o un disacàrid petit? 3 Es podria formar un glúcid sense un grup carbonil?

Enzim. Catalitzador de natura proteica que accelera la velocitat de les reaccions químiques cel·lulars. Heptosa. Monosacàrid format per set àtoms de carboni. L’heptulosa és l’única heptosa important, perquè intervé en la fotosíntesi.

30

Polihidroxialdehid

OH OH O OH OH H

…

C

C

H H

C

C

C

…

H H

Polihidroxicetona

1.2. La classificació dels glúcids Els glúcids es classifiquen segons el nombre de cadenes polihidroxialdehídiques o polihidroxicetòniques que contenen. Se’n distingeixen els tipus següents: • Monosacàrids. Són els glúcids que estan constituïts per una sola cadena polihidroxialdehídica o polihidroxicetònica. • Oligosacàrids. Són els glúcids que estan formats per la unió de dos a deu monosacàrids. Els més importants són els disacàrids (unió de dos monosacàrids). • Polisacàrids. Són els glúcids formats per la unió de més de deu monosacàrids. Generalment per centenars de monosacàrids. A més d’aquests tres tipus de glúcids, hi ha els compostos formats per la unió de glúcids i altres substàncies no glucídiques. Per exemple, els glúcids que s’uneixen amb lípids formen els glicolípids, i els que s’uneixen amb proteïnes formen les glicoproteïnes. Els oligosacàrids i els polisacàrids es poden descompondre en monosacàrids. Mitjançant l’acció dels enzims hidrolases, com ara alguns enzims* digestius, o per l’acció d’un àcid, es poden hidrolitzar, és a dir, es poden dividir en monosacàrids. En canvi, els monosacàrids no es poden hidrolitzar. monosacàrid

monosacàrid

Àcids monosacàrid OH  H monosacàrid  H2O –––––→ Enzims unitat 2

2 Els monosacàrids

FÓRMULA EMPÍRICA: C3H6O3

Els monosacàrids són glúcids constituïts per una sola cadena polihidroxialdehídica o polihidroxicetònica, que pot tenir de tres a set àtoms de carboni. S’anomenen afegint la terminació -osa al nombre de carbonis; per exemple, un monosacàrid format per una cadena de tres carbonis rep el nom de triosa.

C1

Són glúcids formats per tres àtoms de carboni. Hi ha dues trioses: una que té un grup aldehid i una altra que té un grup cetona. L’aldotriosa s’anomena gliceraldehid, i la cetotriosa s’anomena dihidroxiacetona. La fórmula empírica de totes dues és C3H6O3. Són abundants a l’interior de la cèl·lula, ja que són metabòlits intermedis de la degradació de la glucosa. El gliceraldehid té el segon àtom de carboni asimètric, és a dir, que té les quatre valències saturades per radicals diferents. A causa d’això, si se situa a dalt el grup aldehid s’hi poden distingir dos isòmers espacials o estereoisòmers: el D-gliceraldehid, quan el OH és a la dreta, i el L-gliceraldehid, quan el OH és a l’esquerra. Cadascun d’aquests isòmers espacials és imatge especular de l’altre i per això s’anomenen estructures enantiomorfes. Encara que es girin en l’espai, no poden coincidir, ja que són estructures diferents.

H C2 OH

H C3 OH

H C3 OH H Dihidroxiacetona

H Gliceraldehid

Els monosacàrids tenen les propietats següents:

2.1. Les trioses

C1 OH

H OH

H C2

Segons el nombre d’àtoms de carboni de la seva cadena, els monosacàrids es classifiquen en cinc grups: trioses, tetroses, pentoses, hexoses i heptoses*. • Propietats físiques. Són sòlids cristal·lins, de color blanc, hidrosolubles i de gust dolç. La seva solubilitat en aigua és deguda al fet que tant els radicals hidroxil (OH) com els radicals hidrogen (H) presenten una elevada polaritat elèctrica i, per això, estableixen forces d’atracció elèctrica amb les molècules d’aigua, que també són polars. • Propietats químiques. Els monosacàrids són capaços d’oxidar-se, és a dir, de perdre electrons davant d’altres substàncies que, quan els accepten, es redueixen. Així tenen capacitat de reduir el reactiu de Fehling (CuSO4 dissolt en aigua) gràcies que el grup carbonil (aldehid CHO o cetona CO) perd electrons (s’oxida) i passa a grup àcid (COOH). Altres propietats químiques dels monosacàrids són la capacitat d’aminar-se, és a dir, d’associar-se amb grups amino (NH2), de reaccionar amb àcids i incorporar grups fosfats (H2PO4) i grups sulfats (HSO4), i d’unir-se amb altres monosacàrids.

H

O

CHO

CHO

H

C

OH

OH

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

H

D-gliceraldehid

L-gliceraldehid

Estereoisòmers CHO

CHO

C

C

H

H

OH OH CH2OH

CH2OH

Simetria de les formes enantiomorfes del gliceraldehid

Fórmules i enantiomorfisme de les trioses.

Activitats 4 Per què el carboni del grup aldehid no és asimètric? 5 Per què canvia de color el reactiu de Fehling quan es posa en contacte amb un monosacàrid? Quina utilitat té el fet que aquesta substància canviï de color?

A FONS Reducció del reactiu de Fehling

Oxidació

CHO o CO ---------→ → COOH La propietat que tenen els monosacàrids d’oxidar-se és utilitzada en el laboratori e→ per identificar-ne la presència (anàlisis qualitatives) i també per valorar-ne la concentració Cu2(blau) ----------→ (groc/vermell) (anàlisis quantitatives). Per dur a terme aquestes anàlisis es comprova si redueixen Reducció o no el reactiu de Fehling. → Cu2  SO42). Els ions Cu2 quan guanyen Bàsicament aquest reactiu és una dissolució, de color blau, de sulfat de coure en aigua (CuSO4 ←  electrons (quan es redueixen) passen a ions Cu . Finalment es forma Cu2O, que és insoluble i forma un precipitat de color vermellós. El canvi de color blau a vermell, molt evident, revela la presència d’aquests glúcids.

Els glúcids

31

2.2. Les tetroses Són glúcids formats per quatre àtoms de carboni. Hi ha dues aldotetroses, l’eritrosa i la treosa, i una cetotetrosa, l’eritrulosa. En les aldotetroses hi ha dos carbonis asimètrics. Igual que per als altres monosacàrids, la configuració D o L es determina prenent com a referència el carboni asimètric més allunyat del grup carbonil, que en les aldotetroses és el carboni 3. C1HO

C1HO

C1HO

C1HO

C1H2OH

H

C2

OH

HO

C2

H

HO

C2

H

OH

C2

OH

H

C2O

H

C3

OH

HO

C3

H

OH

C3

OH

HO

C3

H

H

C3

C4H2OH D-eritrosa

C4H2OH L-eritrosa

Són estereoisòmers enantiomorfs entre si.

Tal com es pot observar, les estructures enantiomorfes difereixen entre si en la posició de tots els radicals OH dels carbonis asimètrics. Corresponen a la mateixa substància, amb les mateixes propietats, excepte l’activitat òptica en relació amb la llum polaritzada.

C4H2OH

C4H2OH

D-treosa

C1H2OH

OH

HO

C2O

HO

C3

C4H2OH

L-treosa

C4H2OH

D-eritrulosa

Són estereoisòmers enantiomorfs entre si.

H

L-eritrulosa

Són estereoisòmers enantiomorfs entre si.

2.3. Les pentoses Són monosacàrids amb cinc àtoms de carboni. Per la seva importància, cal destacar les aldopentoses D-ribosa, en l’àcid ribonucleic (RNA), i la D-2-desoxiribosa, en l’àcid desoxiribonucleic (DNA). També cal destacar la cetopentosa D-ribulosa, que és la molècula que, durant la fotosíntesi, reacciona amb el diòxid de carboni (CO2), que així passa de ser matèria inorgànica a constituir matèria orgànica. En les pentoses l’estructura molecular més estable no és la lineal sinó la cíclica. Això és degut al fet que, com que els enllaços entre els àtoms de carboni formen angles, a partir dels cinc carbonis la cadena tendeix a tancar-se. C5H2OH HOH2C5

C4

C3

C2

C1HO → C4

C1HO C3

C2

Ribosa

HOH2C5

Les molècules de pentoses es tanquen per formar un pentàgon. Com que el pentàgon resultant s’assembla a una molècula denominada furan, les dues aldoses esmentades abans reben el nom de ribofuranosa i desoxiribofuranosa, respectivament.

O

OH

HOH2C5

O

OH

C4 H

H C1

C4 H

H C1

H C3

C2 H

H C3

C2 H

OH OH

OH H

D-ribofuranosa

D-2-desoxiribofuranosa

Activitats 6 És dextrogira la dihidroxiacetona? 7 És possible deduir si la D-eritrosa és levogira o dextrogira? Raona la resposta. 8 Quantes L-cetopentoses són possibles? Dibuixa’n les estructures. 9 Com que només són possibles dues aldotetroses, dedueix l’estructura molecular de la D-treosa.

32

unitat 2

2.4. Les hexoses Són monosacàrids amb sis àtoms de carboni. A causa dels angles que formen els enllaços químics dels carbonis entre si, l’estructura més freqüent de les hexoses no és la lineal o oberta sinó la cíclica o tancada. L’aldohexosa més abundant és la glucosa, i la cetohexosa més freqüent en els vegetals és la fructosa. • Glucosa. És el glúcid més important perquè aporta la major part de l’energia que necessiten les cèl·lules. Algunes cèl·lules com les neurones i els glòbuls vermells depenen exclusivament de la glucosa com a font d’energia. En la natura, la glucosa es troba lliure en els fruits madurs, com ara el raïm; per això, s’anomena sucre de raïm. També es troba en el citoplasma i en el medi intern dels animals. A la sang humana es troba en concentracions d’1g/l. En dissolució, les molècules de glucosa es tanquen sobre si mateixes i formen un hexàgon (el cicle es forma entre el carboni 1 i el 5), semblant al d’una molècula anomenada piran, per la qual cosa rep el nom de glucopiranosa.

Activitats 10 Indica quin carboni de la glucosa és simètric en la forma lineal i asimètric en la cíclica. 11 Quin nom rep un glúcid la fórmula empírica del qual és C6H12O6? 12 Quina hexosa rep el nom de levulosa perquè malgrat tenir estructura D és molt levogira? 13 Quina diferència hi ha entre una -glucopiranosa i una -glucopiranosa?

La glucosa s’uneix per formar polímers, i com a resultat es formen polisacàrids amb funció de reserva energètica, com el midó dels vegetals i el glicogen dels animals, o amb funció estructural, com la cel·lulosa de les plantes. La glucosa és molt dextrogira, per la qual cosa també s’anomena dextrosa. CH2OH

6

H

H C2 OH HO C3 H H C4 OH H C5 OH

6

H

H

H OH H

HOH2C6 C5 C4 C3 C2 OH OH H OH

C1HO

C4

CH2OH C5

OH

H OH

H

OH C3

C2

H

OH

O

D-glucosa

OH

H

OH C3

C2

C1 OH

OH H α-D-glucopiranosa

C1

CH2OH

6

H

C6H2OH

Glucosa

H

H

C4

C1HO

O

C5

H C4

C5

O

OH

H OH

H

OH C3

C2

H

OH

C1 H

β-D-glucopiranosa

Ciclació de l’estructura lineal de la glucosa segons la projecció de Haworth. L’estructura lineal és tan inestable que no arriba al 5 % del total. La major part de la glucosa presenta forma cíclica. En la forma cíclica el primer carboni (anomenat carboni anomèric) ha passat a ser asimètric i, per tant, segons on estigui situat el seu radical hidroxil (anomenat hidroxil hemiacetàlic), apareixen dues estructures possibles (anomenades anòmers): la -glucopiranosa, si el radical –OH està oposat al radical CH2OH, i la -glucopiranosa, si aquests dos radicals són en el mateix pla.

HOH2C6

OH

C5 H OH C2 H C4

• Fructosa. Es troba en forma cíclica pentagonal, per la qual cosa rep el nom de D-fructofuranosa. Es troba lliure a la fruita i, associada amb la glucosa, forma la sacarosa. Al fetge es transforma en glucosa i, per tant, té el mateix poder nutritiu que aquesta. Com que aquesta transformació alenteix la pujada de glucosa en la sang, se sol utilitzar per substituir la sacarosa en els aliments per a diabètics.

O

C3 C1H2OH

OH H -D-fructofuranosa

Levogira. Substància que desvia el pla de la llum polaritzada cap a l’esquerra.

És molt levogira*, per la qual cosa també s’anomena levulosa. Els glúcids

33

A FONS La llum polaritzada

Llum

polaritzada La llum, considerada com a ona, vibra en tots els plans perpendiculars Llum a la trajectòria de propagació normal que descriu. Gràcies a un dispositiu anomenat polaritzador es pot aconseguir que la llum vibri únicament en un d’aquests plans. Aleshores es diu que la llum està polaritzada. El pla de vibració de la llum polaritzada es desvia quan incideix sobre molècules que presenten carbonis asimètrics, per tant, són òpticament actives, com els monosacàrids. Si una substància desvia el pla de la llum polaritzada cap a la dreta, s’anomena dextrogira o (ⴙ). Si una substància desvia el pla de la llum polaritzada cap a l’esquerra s’anomena levogira o (ⴚ).

Vegem-ne un exemple: • Tenim una dissolució de glucosa d’1 g/cm3 en un recipient transparent de 10 cm de base. • Fem passar llum polaritzada a través de la dissolució (en un gruix de 10 cm). • Es produeix un gir en el pla de vibració de 122,2 ° cap a la dreta perquè es tracta de glucosa . 6

CH2OH O

5

H

H

H 4

1(α)

OH

H

HO

2

3

OH

Llum polaritzada

OH H α-D-glucopiranosa Solució de ␣-D-(ⴙ)-glucopiranosa Angle de gir   122,2°

• Tenim una dissolució de glucosa  d’1 g/cm3 en un recipient transparent de 10 cm de base. • Fem passar llum polaritzada a través de la dissolució (en un gruix de 10 cm). • Es produeix un gir en el pla de vibració de només 18,7 ° cap a la dreta perquè es tracta de glucosa .

6

CH2OH 5

H

O

OH

H 4

1

OH

H

HO

(β) H

3

Llum polaritzada

2

OH H β-D-glucopiranosa Solució de ␣-D-(ⴙ)-glucopiranosa Angle de gir   18,7°

Quan es dissolen una en l’altra, es produeix una transformació mútua i al final sempre queda una proporció de una glucosa

per cada dues glucoses . La desviació de la llum polaritzada s’estabilitza en 152,7° cap a dreta. Aquest canvi rep el nom de mutarotació.

34

unitat 2

3 Els disacàrids Els disacàrids són glúcids formats per la unió de dos monosacàrids. El grup aldehid del primer monosacàrid s’uneix a qualsevol radical del segon monosacàrid. En la reacció es desprèn una molècula d’aigua i els monosacàrids queden enllaçats per un àtom d’oxigen. Aquesta unió rep el nom d’enllaç O-glicosídic. Com els monosacàrids, els disacàrids també són sòlids, cristal·lins, blancs, solubles en aigua i dolços. 6

6

CH2OH O

5

H

H 1

OH

H

HO

H 

4

OH

2

OH OH

Monosacàrid

H

H

1

O

H

H

4

H

O

OH

1

H

HO

2

H

5

H

4

H

CH2OH

O

H

1

3

OH

H

H

H

6

CH2OH

5

HO

OH 3

O

5

H

4

6

CH2OH

OH 3

OH

 H2O

2

H

3

OH

2

H

OH

Disacàrid

Monosacàrid

Enllaç O-glicosídic. En la representació abreujada proposada per Haworth s’ometen els carbonis dels vèrtexs, i el pla es representa fent més gruixudes les ratlles anteriors.

Hi ha dos tipus d’enllaç O-glicosídic: • Enllaç monocarbonílic. S’estableix entre el carboni carbonílic (que constitueix el grup aldehid o el grup cetona) del primer monosacàrid i un carboni no carbonílic del segon monosacàrid. Com que queda lliure el carboni carbonílic del segon monosacàrid, el disacàrid té la capacitat de reduir el reactiu de Fehling. Presenten aquest enllaç la maltosa, la cel·lobiosa i la lactosa. • Enllaç dicarbonílic. S’estableix entre el carboni carbonílic del primer monosacàrid i el carboni carbonílic del segon. Com que no queda lliure cap carboni carbonílic, el disacàrid resultant no té la capacitat de reduir el reactiu de Fehling. La sacarosa presenta aquest tipus d’enllaç, i es fa entre el OH del carboni anomèric del primer monosacàrid i el OH del carboni anomèric del segon monosacàrid. L’enllaç O-glicosídic s’anomena -glicosídic si el primer monosacàrid és i es denomina -glicosídic si el primer monosacàrid és .

Activitats 14 Copia la fórmula del disacàrid següent i assenyala l’enllaç O-glicosídic. CH2OH O

H H OH

H

H

O

HOH2C O

H

H OH CH2OH

HO H

OH

OH

H

És un enllaç monocarbonílic o dicarbonílic? És -glicosídic o -glicosídic?

Els glúcids

35

3.1. Disacàrids d’interès biològic Els disacàrids més importants són la maltosa, la cel·lobiosa, la lactosa i la sacarosa. • Maltosa. Disacàrid format per dues molècules de D-glucopiranosa unides per mitjà de l’enllaç (1 → 4). CH2OH H

CH2OH

O

H

H

H OH

Es troba lliure en el gra germinat de l’ordi i d’altres cereals.

O

H

H H

OH

O

H

HO

OH

En la indústria s’obté a partir de la hidròlisi del midó i del glicogen.

Maltosa OH OH H H α-D-glucopiranosil-(1→ 4)-α-D-glucopiranosa

La sacarosa és dextrogira, però si s’hidrolitza, origina una mescla de D-glucosa i de D-fructosa. És el que passa a la mel a causa dels enzims (sacarases) que hi ha a la saliva de les abelles.

• Cel·lobiosa. Disacàrid format per dues molècules de D-glucopiranosa unides per mitjà de l’enllaç (1 → 4). 6

CH2OH

5

H

CH2OH

O

5

H

H 4

HO

H

3

OH

4

S’obté per hidròlisi de la cellulosa.

1

OH

H

2

O

H

O

1

OH

No es troba lliure en la natura.

6

H

3

H

2

OH Cel·lobiosa H OH H β-D-glucopiranosil-(1→ 4)-β-D-glucopiranosa

• Lactosa. Disacàrid format per una molècula de D-galactopiranosa unida a una de D-glucopiranosa per mitjà d’un enllaç (1 → 4). 6

CH2OH

5

HO

6

O

5

H

H 4

H

3

O

H

4

1

OH

H

2

Es troba lliure a la llet dels mamífers.

H

O

1

OH H

CH2OH

H

3

OH

2

Lactosa OH OH H H β-D-galactopiranosil-(1→ 4)-α-D-glucopiranosa

S’extreu de la llet. Durant la digestió, la lactosa és hidrolitzada per l’enzim lactasa.

Si després de la lactància els nens deixen de prendre llet durant un temps prolongat, poden perdre la capacitat de produir lactasa i, com a conseqüència, el seu organisme ja no pot hidrolitzar la lactosa. Per aquest motiu, si prenen llet o derivats làctics poden tenir trastorns digestius. • Sacarosa. Disacàrid format per una molècula de D-glucopiranosa i una altra de D-fructofuranosa unides per mitjà d’un enllaç (1 → 2). 6

CH2OH

Activitats

5

H

O

H

15 Quins són els noms químics dels disacàrids sacarosa, maltosa, cel·lobiosa i lactosa? 16 Per què, si la sacarosa és dextrogira, la mel que fabriquen les abelles amb sacarosa és levogira? 17 Per què la sacarosa no redueix el reactiu de Fehling i en canvi sí que ho fa la mel?

36

4

1

OH HO

3

O

1

H HOH2C

H

2

5

H

O 2

H

3

OH 4

CH2OH

H OH Sacarosa OH H α-D-glucopiranosil-(1→ 2)-β-D-fructofuranosa

Es troba a la canya de sucre (20 % en pes) i a la remolatxa sucrera (15 % en pes). S’extreu de les plantes esmentades.

L’enllaç O-glicosídic es fa entre el OH del carboni anomèric del primer monosacàrid i el OH del carboni anomèric del segon monosacàrid. A causa d’això és l’únic disacàrid dels esmentats que no té poder reductor sobre el reactiu de Fehling. La sacarosa és dextrogira, però si s’hidrolitza, la mescla de D-glucosa i de D-fructosa que s’obté és levogira. unitat 2

4 Els polisacàrids Els polisacàrids són els glúcids formats per la unió de molts monosacàrids (pot variar de desenes a uns quants milers). S’uneixen per mitjà de l’enllaç O-glicosídic, amb la pèrdua consegüent d’una molècula d’aigua per cadascun dels enllaços. Tenen pesos moleculars molt elevats. A diferència dels monosacàrids i dels disacàrids, són sòlids amorfs. Alguns, com la cel·lulosa, són completament insolubles. D’altres, com alguns components del midó, formen dispersions col·loïdals. No tenen gust dolç i no redueixen el reactiu de Fehling. Es diferencien dos tipus de polisacàrids: • Homopolisacàrids. Són polímers d’un sol tipus de monosacàrid. Es classifiquen segons el tipus de monosacàrid que es repeteix i també segons el tipus d’enllaç. • Heteropolisacàrids. Són polímers formats per més d’un tipus de monosacàrid. Homopolisacàrids Per mitjà de l’enllaç

Per mitjà de l’enllaç 

Midó

Cel·lulosa

Grànuls de midó de cèl·lules de patata vistos al microscopi òptic.

Heteropolisacàrids Presenten enllaç

Pectina Agar

Glicogen

Quitina

Goma aràbiga

Els homopolisacàrids tenen una rellevància especial en la natura. Els que presenten enllaç -glicosídic fan una funció estructural en els éssers vius. Aquest tipus d’enllaç possibilita estructures moleculars molt estables i perdurables, ja que la major part dels organismes no tenen els enzims necessaris per trencar-lo i no el poden descompondre en molècules més petites. Per exemple, la cel·lulosa dóna consistència i rigidesa a la paret de les cèl·lules vegetals, i l’exosquelet dels artròpodes està format per quitina. Els homopolisacàrids que presenten enllaç -glicosídic tenen funció de reserva energètica. La major part dels organismes tenen els enzims necessaris per trencar aquest enllaç i obtenir molècules més petites. Per exemple, el midó i el glicogen són substàncies de reserva dels vegetals i els animals, respectivament.

4.1. El midó El midó és el polisacàrid de reserva propi dels vegetals. S’acumula en forma de grànuls de midó dins de la cèl·lula vegetal, a l’interior dels plasts. Al midó es troben unides centenars o milers de molècules de glucosa. Així, com que no estan dissoltes en el citoplasma, no influeixen en la pressió osmòtica interna de la cèl·lula i constitueixen una gran reserva energètica. Les principals fonts de midó són les llavors dels cereals (blat, blat de moro i arròs), dels llegums i els tubercles (patata i moniato). A partir del midó les plantes poden obtenir energia sense necessitat de rebre llum, i això els permet dur a terme processos com la germinació de les llavors. Els grànuls de midó són insolubles en aigua freda, però en aigua calenta els polímers més petits de midó surten dels grànuls i es dispersen en l’aigua (midó soluble). La major part de polímers, però, romanen a l’interior dels grànuls (midó insoluble). Els glúcids

En aigua calenta, els grànuls de midó s’inflen i s’envolten de molècules d’aigua. El resultat és una pasta enganxosa anomenada engrut de midó. Si s’apuja la temperatura de l’aigua i arriba a l’ebullició, la dispersió gelifica i es forma el gel de midó.

Activitats 18 Per què les cèl·lules no tenen reserves energètiques en forma de glucosa? 19 Per què l’enllaç és difícil de trencar i l’enllaç  no ho és?

37

A FONS Els components del midó El midó està integrat per dos tipus de polímers: l’amilosa en un 30 % en pes, i l’amilopectina en un 70 %.

Components del midó

AMILOSA

H2O

AMILOPECTINA

H2O O

O O

O

H2O

H2O O

O

O

O

O

O

O

O

O

Amilosa

H2O O

␣-amilasa

O O

O

O



O

O

O

O

␤-amilasa

O Maltosa O

Hidròlisi de l’amilosa per l’acció de l’enzim -amilasa.

CH2O O

O

Amilopectina



 O Maltosa

O

O

O

O

 O

O

O CH2

Hidròlisi de l’amilopectina per l’acció de l’enzim -amilasa, que comença a nivell de l’extrem no reductor.

Amilosa • Està constituïda per un polímer de maltoses unides per mitjà d’enllaços (1 → 4). Té una estructura helicoïdal amb sis molècules de glucosa (tres maltoses) per volta. • Pot arribar a tenir unes 300 glucoses. • El pes molecular pot arribar a 50.000 daltons. • Amb l’aigua dóna lloc a dispersions col·loïdals. • Amb el iode es tenyeix de color blau molt fosc. • Per hidròlisi amb àcids o per l’acció dels enzims amilases dóna lloc primer a un polisacàrid més petit anomenat dextrina límit i després a maltosa. Aquesta, a causa de l’acció de l’enzim maltasa, passa a D-glucosa.

38

O O Maltosa

O

O

O

O Dextrina

Amilopectina • Està constituïda per un polímer de maltoses unides per mitjà d’enllaços (1 → 4), amb ramificacions en posició (1 → 6). Les branques tenen al voltant de dotze glucoses, unides per mitjà de (1 → 4), i apareixen, aproximadament, cada 25 a 30 glucoses. Així doncs, forma una estructura ramificada. • Pot tenir fins unes 3.000 glucoses. • Pot arribar a tenir un pes molecular d’uns 500.000 daltons. • És molt poc dispersable en aigua. • Amb el iode es tenyeix de blau violeta. • Per hidròlisi amb àcids o per l’acció dels enzims amilases dóna lloc a molècules de maltosa i als nuclis de ramificació que, com que tenen enllaços (1 → 6) aquests enzims no els poden atacar. Aquests nuclis reben el nom de dextrines límit i sí que poden ser degradats per l’enzim R-desramificador. Després, per l’acció de la maltasa, s’obtenen molècules de glucosa.

unitat 2

4.2. El glicogen El glicogen és un polisacàrid amb funció de reserva energètica propi dels animals. Es troba abundantment a l’interior de les cèl·lules del fetge i serveix de reserva general per a tot l’organisme. També es troba a les cèl·lules dels músculs, on té la funció de reserva energètica exclusiva dels músculs. El glicogen, igual que l’amilopectina, està constituït per un polímer de maltoses unides per mitjà d’enllaços (1 → 4) amb ramificacions en posició (1 → 6), però amb més abundància de branques. Aquestes apareixen, aproximadament, cada sis a deu glucoses. Conté fins a unes 15.000 molècules de maltosa. El seu pes molecular oscil·la entre 1 i 5 milions. Amb el iode, la dispersió col·loïdal es tenyeix de vermell fosc. Els enzims amilases sobre el glicogen donen maltoses i dextrina límit. Després, per mitjà dels enzims R-desramificadors i les maltases, s’obté glucosa. Quan els organismes necessiten energia extra el glicogen es descompon en glucosa, que les cèl·lules utilitzen per al metabolisme cel·lular.

4.3. La cel·lulosa La cel·lulosa és un polisacàrid amb funció esquelètica propi dels vegetals. És la biomolècula orgànica més abundant en la natura i és l’element més important de la paret cel·lular. Aquesta paret constitueix una mena d’estoig en el qual queda tancada la cèl·lula vegetal, que persisteix després de la mort cel·lular.

Fibres de cel·lulosa.

Les fibres vegetals (cotó, lli, cànem, espart, etc.) i l’interior del tronc dels arbres estan formats, bàsicament, per parets de cèl·lules mortes. El cotó és gairebé cel·lulosa pura, mentre que la fusta està constituïda en un 50% per cel·lulosa. La cel·lulosa és un polímer de β-glucoses unides per mitjà d’enllaços β(1 → 4). Cada parella de molècules de glucosa formen una cel·lobiosa. Cada polímer té de 150 a 5.000 molècules de cel·lobiosa. Aquests polímers formen cadenes moleculars no ramificades, que es poden disposar paral·lelament unint-se per mitjà d’enllaços de pont d’hidrogen. Una fibra de cotó que es pugui observar a ull nu presenta unes 8 108 cadenes moleculars. L’ aparell digestiu dels animals, excloent-ne algunes poques excepcions, no té enzims capaços de trencar l’enllaç β(1 → 4) i, per tant, els animals no poden aprofitar la cel·lulosa com a font d’energia. Els insectes xilòfags, com els tèrmits, i els herbívors remugants (vaca, ovella, cabra, camell, etc.) aprofiten la cel·lulosa gràcies als microorganismes simbiòtics del tracte digestiu. 6

CH2OH

5

H

6

CH2OH

O

5

H

H 4

O

1

OH

H

3

2

H

OH

H

6

O

H

H

O

1

3

H 2

H

H

OH

CH2OH

O

5

4

OH

6

CH2OH

5

H

H 4

O

1

OH

H

3

2

H

H

OH

O

H 4

O

1

OH 3

H 2

H

H

OH

Cel·lobiosa

Activitats 20 Per què la major part dels animals no poden digerir la cel·lulosa? 21 Què és una dextrina límit? Com es forma? 22 Quina diferència hi ha entre l’amilopectina i el glicogen?

Els glúcids

Els microorganismes simbiòtics del tracte digestiu dels remugants produeixen enzims cel·lulases capaços de trencar l’enllaç β(1 → 4). 39

4.4. La quitina La quitina és el component essencial de l’exosquelet dels artròpodes. En els crustacis es troba impregnada de carbonat càlcic, fet que n’augmenta la duresa. La quitina és un polímer de N-acetil glucosamines unides per mitjà d’enllaços (1 → 4), de manera anàloga a la cel·lulosa que, com aquesta, forma cadenes paral·leles. La N-acetil glucosamina presenta un enllaç N-glucosídic, que es forma entre un OH d’un monosacàrid i un àtom de nitrogen d’una altra substància. Cada dues d’aquestes molècules formen una quitobiosa.

Capes de polímers

CH2OH

CH2OH

O β(1→4)

H ...O

H OH

O H

H OH

H

CH2OH O β(1→4) O H

CH2OH O β(1→4)

H OH

H

O H

O β(1→4) H OH

... H

H

H

H HNCCH3 H HNCCH3 H HNCCH3 H HNCCH3 O

O

O

O

Quitobiosa

Les cadenes de quitina formen capes que, superposades, constitueixen l’exosquelet dels artròpodes.

Hidròfil. Comportament de tota molècula que té afinitat per l’aigua.

Aquests polímers es disposen paral·lelament constituint capes.

4.5. Els heteropolisacàrids Els heteropolisacàrids són substàncies que per hidròlisi donen lloc a dos o més tipus diferents de monosacàrids o de derivats d’aquests. Els més importants són la pectina, l’agar i la goma aràbiga.

• Pectina. Es troba a la paret cel·lular dels teixits vegetals. És molt abundant a la poma, la pera, la pruna i el codony. Té una gran capacitat gelificant que s’aprofita per preparar melmelades. • Agar. S’extreu de les algues vermelles o rodofícies. És molt hidròfil* i s’utilitza en microbiologia per preparar medis de cultiu i en la preparació industrial d’aliments. • Goma aràbiga. És una substància secretada per les plantes que els serveix per tancar les ferides que es puguin produir. S’utilitza com a goma d’enganxar.

Activitats 23 Dibuixa l’estructura d’un tetrasacàrid constituït per tres glucoses unides per mitjà d’enllaç (1 → 4), i una d’unida per mitjà d’enllaç (1 → 6) a la glucosa central del polímer anterior. 24 Elabora un esquema de la via metabòlica de la digestió del glicogen (fases i enzims necessaris) fins a arribar a glucoses. 25 Quina diferència hi ha entre els enzims amilases i els enzims R-desramificadors? 26 Quin tipus d’enllaç presenten la cel·lulosa i la quitina? 27 Relaciona els glúcids de la columna de l’esquerra amb els monosacàrids de la columna de la dreta, per indicar la composició dels primers. a) Glicogen b) Lactosa

1) Fructosa

c) Midó

2) Glucosa

d) Cel·lulosa e) Sacarosa

3) Galactosa

f) Maltosa L’agar s’utilitza per preparar medis de cultiu per a bacteris. 40

28 Indica quins glúcids de l’activitat anterior són monosacàrids, disacàrids i polisacàrids.

unitat 2

5 Els glúcids associats a altres tipus

de molècules Els principals tipus d’associació entre glúcids i altres tipus de molècules són els heteròsids, els peptidoglicans, els proteoglicans, les glicoproteïnes i els glicolípids. • Els heteròsids. Resulten de la unió d’un monosacàrid, o d’un petit oligosacàrid, amb una molècula o grup de molècules no glucídiques, de baix pes molecular. Entre d’altres, cal destacar els antocianòsids, responsables del color de les flors, els tannòsids dels arbres, que tenen propietats astringents i adobadores, i alguns antibiòtics, com l’estreptomicina*. • Els peptidoglicans. Són els constituents de la paret dels bacteris. Estan formats per cadenes en les quals s’alterna la N-acetilglucosamina (NAG) i l’àcid N-acetilmuràmic (NAM). Les cadenes es mantenen unides entre si per aminoàcids. • Els proteoglicans. Són molècules formades per una gran fracció de polisacàrids (aproximadament el 80 % de la molècula) i una petita fracció proteica (aproximadament el 20 %). Els més importants són: – Àcid hialurònic i sulfats de condroïtina. Formen la matriu extracel·lular dels teixits conjuntiu, cartilaginós i ossi. L’àcid hialurònic, a més, abunda en el líquid sinovial de les articulacions i en l’humor vitri de l’ull. – Heparina. Es troba en la substància intercel·lular, principalPEPTIDOGLICÀ ment al fetge i al pulmó. Impedeix la coagulació de la sang (el pas de protrombina a trombina). També és present a la saliva d’animals hematòfags (sangoneres, mosquits, vampirs, etc.). En medicina s’utilitza per evitar la trombosi*. • Les glicoproteïnes. Són molècules formades per una petita fracció glucídica (generalment el 5 % i, com a màxim, el 40 %) i una gran fracció proteica, que s’uneixen per mitjà d’enllaços covalents (queden fortament unides). Les glicoproteïnes més importants són les mucines de secreció, com les salivals, les glicoproteïnes de la sang, com les immunoglobulines, que defensen l’organisme de les infeccions, i les anomenades glicoproteïnes de la membrana plasmàtica. Aquestes estan constituïdes per una part proteica i un oligosacàrid que pot variar (hi ha molts tipus de monosacàrids i moltes maneres d’unir-se entre si). Les glicoproteïnes de la membrana plasmàtica tenen la funció de seleccionar les molècules que entren a la cèl·lula i reben el nom de receptors específics de membrana. També hi ha glicoproteïnes amb funció hormonal, com algunes hormones de la hipòfisi. • Els glicolípids. Estan constituïts per monosacàrids o oligosacàrids units a lípids. Generalment es troben a la membrana cellular. Els més coneguts són els cerebròsids i els gangliòsids. Molts glicolípids també actuen com a receptors específics de membrana.

Estreptomicina. Antibiòtic extret del fong Streptomyces griseus. S’utilitza en el tractament de la tuberculosi. Trombosi. Formació de coàguls en els vasos sanguinis.

Oligopèptid Pm  500 a 1.000 Polisacàrid Pm  15.000

GLICOPROTEÏNA Oligosacàrid Pm  1.000 Proteïna Pm  20.000 PROTEOGLICANS Conjunt de proteoglicans que pot assolir la mida d’un bacteri.

Àcid hialurònic Condroïtina sulfat. Aproximadament hi ha una cadena cada 12 aminoàcids.

Proteïna

Activitats 29 Posa exemples de glúcids que tinguin les funcions següents: • Antibiòtic

• Anticoagulant

• Colorant floral Associacions de glúcids i pèptids.

Els glúcids

41

Activitats 39 Quants monosacàrids conté una -amilosa que té un pes molecular de 80.000 daltons? Quin tipus de monosacàrid conté?

30 Dibuixa l’estructura lineal de la molècula enantiomorfa o enantiòmera de la D-glucosa i indica’n el nom. En què es diferencia de la D-glucosa? 31 Dibuixa l’estructura química de totes les aldotetroses, indica’n el nom i si són D o L. 32 Quin és el nom de les molècules següents? CH2OH C OH C H

H OH

O A

H C OH

C H

CH2OH

O

C

C

B

OH

H

H

H C OH

H H C OH

40 Els grànuls de glicogen a la cèl·lula varien de mida segons l’estat nutricional de la persona. Després de la ingestió d’aliments, és de 40nm i en dejú, de només 10nm. Tal com saps, el glicogen emmagatzema glucoses quan n’hi ha moltes i allibera glucoses a la sang quan en aquesta n’hi ha poques. L’enzim que degrada aquesta molècula (la glicogenfosforilasa) comença pels extrems de les cadenes, els anomenats extrems no reductors. Quina relació es pot establir entre la seva estructura, dibuixada a continuació, i la seva funció?

C OH

Extrems no reductors

CH2OH CH2OH C H

H C OH

O C

CH2OH

H

C

C

OH

OH

OH C H

C H OH

O D

C H

H C OH

H C OH

Extrem reductor

33 Quantes molècules de glucosa s’obtindran de la hidròlisi de dues molècules dels compostos següents: maltosa, cel·lobiosa i sacarosa? 34 Per què si la maltosa i la cel·lobiosa estan fetes de glucoses són dos disacàrids diferents? I per què si ingerim maltosa augmenta el nivell de glucosa en sang i en canvi si ingerim cel·lobiosa això no passa? 35 Per què hi ha moltes persones que no poden hidrolitzar la lactosa i en canvi sí la maltosa i la sacarosa? Per què les persones que no toleren la lactosa no poden prendre llet ni mató i en canvi sí que poden prendre iogurt? 36 Relaciona els glúcids de la primera columna amb els tipus de glúcids de la segona. a) Desoxiribosa

1) Disacàrid

b) Maltosa

2) Polisacàrid de reserva

c) Glucosa

3) Glúcid aminat

d) Glicogen

4) Aldohexosa

e) N-acetilglucosamina

5) Pentosa

f) Fructosa

6) Glúcid dels proteoglicans

g) Cel·lulosa

7) Polisacàrid estructural

h) Ribosa

8) Triosa

i) Gliceraldehid

9) Glúcid de l’àcid nucleic RNA

j) Àcid hialurònic

10) Cetohexosa

37 Contesta les preguntes següents: a) Quin tipus de polisacàrids hi ha segons els tipus de monosacàrids que es repeteixen? b) Quin tipus de polisacàrids hi ha segons el tipus d’enllaç i la seva funció? c) Com es diuen els polisacàrids segons el tipus de disacàrid que es repeteix? 38 Quina fórmula empírica (abreujada) té un polisacàrid que està constituït per 100 glucoses? Quin pes molecular té, expressat en daltons?

42

Punt de ramificació

(1 → 6)

41 Fes una taula per classificar els diferents glúcids que has estudiat. Agrupa’ls segons que tinguin funció energètica, estructural, generadora d’especificitat de la membrana plasmàtica i altres funcions. Glúcids F. energètica

F. estructural

F. de receptors membrana

Altres funcions

Glucosa

www 42 Consulta la web del projecte Aula Virtual del Departament de Bioquímica de la Universitat de Múrcia i del Departament de Biologia i Geologia de l’IES Ramón y Cajal de Múrcia i fes el test de resposta múltiple sobre els lípids que trobaràs en: http://www.um.es/molecula/gluci08.htm 43 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació i Ciència, i fes els sis exercicis de relacionar conceptes i de tests de resposta múltiple sobre els glúcids que trobaràs en: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/ biomol/actividades.htm

unitat 2

Actividades de Interpretació de Ampliación dades La corba de glucèmia La corba de glucèmia és la gràfica que representa la variació de la concentració de la glucosa en la sang. En dejuni es considera normal una variació entre 75 i 120 mg/l. Aquesta concentració està regulada per l’hormona insulina. Es tracta d’una hormona peptídica fabricada pel pàncrees. Quan després d’un àpat augmenta la concentració de glucosa en sang, el pàncrees secreta insulina a la sang, la qual afavoreix que la glucosa entri a les cèl·lules i s’utilitzi. De fet, si no hi ha hormona insulina, la glucosa es queda a la sang i no entra a les cèl·lules. Les cèl·lules que en resulten afectades primer són les neurones, per la qual cosa els primers símptomes de la manca d’insulina són mareig, desorientació i dificultats per pensar. La no-producció d’insulina és un trastorn que s’anomena diabetis. Els diabètics necessiten injectar-se insulina dues o tres vegades al dia. Quan ho fan, la glucosa en sang disminueix, però a mesura que la insulina passa a l’orina, la glucèmia torna a pujar, per la qual cosa els diabètics tenen tendència a mantenir una glucèmia alta. En canvi, les persones no diabètiques presenten altibaixos, dintre dels límits normals, en funció de si estan en dejú o han fet un àpat fa poc temps.

Activitats 44 Observa les gràfiques que hi ha a continuació, on es representa la corba de glucèmia i els valors d’insulina en sang des que es fa un àpat fins a 150 minuts després i contesta les preguntes següents: Glucosa al plasma (mg/dl)

Insulina (μU/ml)

200 150 glucosa 100

100 insulina

50 0

0 0

30

60

90

120

150

Temps (m)

a) Per què durant els 30 primers minuts pugen les dues gràfiques?

a) Quina gràfica pertany a la persona diabètica? Justifica la resposta. b) A quines hores s’injecta la insulina la persona diabètica? c) A quines hores fan els àpats? 46 Es distingeixen dos tipus de diabetis, la diabetis de tipus I, que és aquella en la qual no hi ha cap producció d’insulina, i la diabetis de tipus II, en la qual sí que hi ha producció d’insulina, però en una quantitat insuficient. Molts autors consideren que la diabetis de tipus I és una malaltia del sistema immunitari. L’anomenada diabetis infantil i juvenil és de tipus I. La diabetis de tipus II es considera que és deguda a una anomalia relacionada amb l’edat, és a dir, simplement que el pàncrees té un rendiment menor. En les gràfiques adjuntes es pot observar la corba de glucèmia i la corba d’insulina en sang després de la ingesta de glucosa d’una persona amb diabetis de tipus I, d’una persona amb diabetis de tipus II i d’una persona no diabètica. cg/l

cg/l

300

Glucosa

300 Glucosa

b) Per què durant el minut 30 i el 60 baixa la glucèmia i continua pujant la insulina? c) Per què després del minut 60 la insulina comença a baixar? d) Per què a partir del minut 90 la glucèmia comença a baixar a menys velocitat? e) Per què a partir del minut 120 ja no hi ha insulina en sang?

Glucèmia (mg/dl)

45 En la gràfica següent es representa la corba de glucèmia al llarg d’un dia, des de les 9 del matí fins a la una de la nit, d’una persona normal i d’una persona diabètica que necessita dues injeccions diàries d’insulina. Aquestes dues persones fan quatre àpats (esmorzar, dinar, berenar i sopar) a la mateixa hora.

200

100

100 Insulina

0

0 0

30 60 90 120 150 180 minuts

0

30 60 90 120 150 180 minuts

cg/l 300

200 Glucosa

175

100

150

0

Insulina 0

125

30 60 90 120 150 180 minuts

a) Indica quina corba pertany a cadascuna d’aquestes persones.

100

b) Per què disminueix la concentració de glucosa en sang en les persones que no produeixen insulina?

75

c) Com es detecten les persones amb diabetis de tipus II si també produeixen insulina i, per tant, també disminueixen la glucosa en sang?

0 8

Els glúcids

200

10

12 14 16 18 Hores del dia

20

22

24

Activitats extretes de les PAU de Catalunya.

43

Laboratori Les propietats químiques dels glúcids L’objectiu d’aquesta pràctica és observar les diferents propietats físiques i químiques d’alguns monosacàrids i polisacàrids. El protocol que se segueix es pot utilitzar per identificar un glúcid desconegut. Material: 10 tubs d’assaig, 2 vasos de precipitats de 250 cm3, pinces, trípode, reixeta amb amiant, focus de calor, retolador per a vidre, 2 pipetes, balança de precisió, espàtula. Productes químics: glucosa, maltosa, sacarosa, midó, NaOH al 20 %, aigua destil·lada, HCl al 10 %, reactiu de Fehling (A i B), paper indicador de pH, Lugol. Desenvolupament de la pràctica 1. Prepara dissolucions diluïdes de glucosa, sacarosa, maltosa i midó (de 3 a 5 g/100 cm3). 2. Observa la manera com es dissol cadascuna d’aquestes substàncies. Anota el que has observat a la graella de resultats que hi ha al final. 3. Amb una espàtula, que s’ha de rentar i s’ha d’eixugar cada vegada que s’utilitzi, posa’t una mica de cada glúcid a la mà, tasta’ls i aprecia si el gust és dolç o no. Anota’n els resultats. 4. Observa el color i l’aspecte, és a dir, si a primera vista té aspecte de cristallets o de matèria amorfa. Anota’n els resultats. 5. Omple fins a la meitat dos tubs d’assaig de cadascuna d’aquestes dissolucions. Indica, amb un retolador per a vidre o amb una etiqueta, el contingut de cadascun. 6. Comprova el caràcter reductor de les quatre substàncies davant del reactiu de Fehling. Posa en quatre tubs d’assaig 2 cm3 de les quatre substàncies que s’investiguen. Afegeix-hi 2 cm3 de mescla a parts iguals de Fehling A i de Fehling B (s’ha de preparar una mica abans de l’anàlisi, ja que aquesta mescla es fa malbé amb el temps). Posa els quatre tubs en un vas de precipitats de 250 cm3, mig ple d’aigua, i escalfa-ho al bany maria. El caràcter reductor s’evidencia per l’aparició d’un precipitat vermell d’òxid de coure I. En un primer moment s’hi aprecia un color verdós, com a resultat de la barreja del color blau del reactiu i el color groc del primer producte; després, color groc de l’hidròxid de coure I Cu(OH), i finalment, color vermell de l’òxid de coure I (Cu2O). Anota’n els resultats.

7. Afegeix 2 cm3 del HCl al 10 % als tubs que contenen substàncies que no han reduït el reactiu de Fehling, per efectuar la hidròlisi dels enllaços glicosídics. A continuació, escalfa-ho durant quinze minuts al bany maria en ebullició. Després afegeix-hi hidròxid sòdic al 20 % fins que el medi es torni bàsic. Es pot comprovar mitjançant la introducció de trossets de paper indicador, aguantats amb unes pinces. A continuació repeteix la prova de Fehling, és a dir, afegeix-hi 2 cm3 de Fehling. Anota’n els resultats. 8. Comprova si formen un complex blau fosc amb el iode. Per fer-ho, posa en quatre tubs d’assaig 2 cm3 de les quatre substàncies que s’investiguen. Afegeix unes gotes de Lugol (una dissolució de iode i iodur potàssic) a cadascun dels tubs. El iode, que és un element de color negre, en aquesta dissolució forma el ió I3 el qual queda atrapat a l’interior de l’hèlix de glucoses de l’amilosa, per la qual cosa es concentra i origina unitats fosques. Anota’n els resultats en la taula següent.

Glucosa Maltosa Sacarosa

Midó

Aspecte (cristal·lí o amorf) Color Solubilitat Gust Fehling ( o ) Fehling després de la hidròlisi Lugol ( o )

Activitats 47 Per què uns glúcids són molt solubles i d’altres ho són molt poc?

51 Escriu les semiequacions d’oxidació-reducció de la glucosa davant del reactiu de Fehling.

48 Quin tipus de dispersions formen els polisacàrids?

52 Escriu la reacció d’hidròlisi de la sacarosa.

49 Per què uns glúcids formen sòlids cristal·lins i d’altres no?

53 Per què uns glúcids es tenyeixen amb iode i d’altres no?

50 Per què uns glúcids no redueixen el reactiu de Fehling i sí que ho fan després d’una hidròlisi?

44

unitat 2

Els lípids

3

CONTINGUTS

1 Els lípids 2 Els àcids grassos 3 Els lípids amb àcids grassos o saponificables 4 Els lípids sense àcids grassos o insaponificables 5 Les funcions dels lípids

Els lípids constitueixen les biomolècules més apropiades per emmagatzemar energia. Això és perquè tenen pocs àtoms d’oxigen i la majoria són àtoms de carboni units a àtoms d’hidrogen. I quan aquests àtoms es combinen amb l’oxigen en la respiració cel·lular i es forma CO2 i H2O, es trenquen més enllaços que quan ho fan els glúcids i les proteïnes, i per tant, s’allibera més energia. • Les reserves energètiques en forma de lípids de les persones constitueixen aproximadament el 15 % del seu pes. Quin pes tenen les reserves de lípids d’una persona de 80 kg? Cèl·lules adiposes.

1 Els lípids Els lípids són el grup de biomolècules orgàniques que compleixen les dues característiques següents: • Són insolubles en aigua i en altres dissolvents polars. • Són solubles en dissolvents orgànics, és a dir, dissolvents no polars, com l’octà, l’èter, el benzè, etc. Els lípids són un grup molt heterogeni de substàncies. Estan constituïts bàsicament per carboni i hidrogen. La majoria, a més, presenten oxigen, però en proporcions molt baixes. A més, alguns lípids també contenen fòsfor, nitrogen i sofre. Els lípids es classifiquen en: Acilglicèrids Simples

Cèrids

Lípids amb àcids grassos o saponificables

Fosfoglicèrids Fosfoesfingolípids

Complexos

Lípids

Glicoesfingolípids Terpens o isoprenoides Lípids sense àcids grassos o insaponificables

Esteroides Prostaglandines

2 Els àcids grassos Els àcids grassos són molècules formades per una llarga cadena hidrocarbonada (CH2CH2CH2) de tipus alifàtic, és a dir, lineal, amb un nombre parell d’àtoms de carboni, el darrer dels quals constitueix un grup carboxil (COOH), també anomenat grup àcid. Els àcids grassos són poc abundants en estat lliure però són un dels principals constituents d’alguns lípids, com per exemple els greixos. S’obtenen a partir d’ells per mitjà de la ruptura dels enllaços interns per hidròlisi. Es coneixen uns setanta àcids grassos, que es poden classificar en dos grups: els àcids grassos saturats i els àcids grassos insaturats. Els àcids grassos saturats

Diferents formes de representar l’àcid esteàric.

Els àcids grassos saturats són els àcids grassos que només tenen enllaços simples entre els àtoms de carboni. A causa d’això les cadenes hidrocarbonades són lineals. Per exemple, l’àcid esteàric i l’àcid palmític.

Fórmula desenvolupada: CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2COOH Fórmula abreujada: CH3(CH2)16COOH

H2 C

Model de l’estructura en què es visualitzen els angles de 110 º: H3C C H2

H2 C C H2

H2 C C H2

H2 C C H2

H2 C C H2

H2 C C H2

H2 C C H2

H2 C C H2

COOH

O C

Model de l’estructura en què es veuen els angles i s’han simplificat els CH2:

OH Model compacte de l’estructura, en què els àtoms d’hidrogen i oxigen es representen amb boles de diferents colors:

46

Carboni

Oxigen

Hidrogen

unitat 3

Els àcids grassos insaturats Els àcids grassos insaturats són els que tenen un o més enllaços dobles entre els carbonis de la cadena hidrocarbonada. Per això les seves molècules no són rectilínies sinó que presenten colzes en els llocs on hi ha els dobles enllaços. Els que tenen un únic enllaç doble s’anomenen monoinsaturats, per exemple l’àcid oleic, i si en tenen més es diuen poliinsaturats, per exemple l’àcid linoleic. Fórmula desenvolupada: CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CHCHCH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2COOH Fórmula abreujada: CH3(CH2)7CHCH(CH2)7COOH Model de l’estructura en què es visualitzen els angles de 110º: H3C

H2 C

H2 C C H2

H2 C

H2 C C H2

H2 C

H2 C C H2

H2 C

H2 C

COOH

C H2

C H2

C H2

C C H H Model de l’estructura en què es veuen els angles i s’han simplificat els CH2:

Model compacte de l’estructura, en què els àtoms d’hidrogen i oxigen es representen amb boles de diferents colors:

O C

11 0°

OH 110 °

Diferents formes de representar l’àcid oleic.

2.1. Les propietats químiques dels àcids grassos Les reaccions químiques més importants en les quals intervenen els àcids grassos són les reaccions d’esterificació i les reaccions de saponificació. • Reacció d’esterificació. És la reacció d’un àcid gras amb un alcohol que dóna lloc a un èster* i a una molècula d’aigua. Aquesta reacció és molt importat perquè la majoria dels lípids són èsters. Durant la digestió, per l’acció d’enzims lipases, els èsters s’hidrolitzen i donen lloc a àcids grassos i a alcohol.

O

ESTERIFICACIÓ

CH3(CH2)14C  HOCH2CH2CH3 ------------→

------------→

Àcid palmític (àcid gras)

OH Propanol (alcohol)

HIDRÒLISI

Èster. Unió d’un àcid gras i un alcohol per mitjà d’un enllaç covalent anomenat enllaç estèric.

O CH3(CH2)14COCH2CH2CH3  H2O Palmitat de propil (èster)

Aigua

Reacció d’esterificació. La hidròlisi també es pot aconseguir artificialment bullint els èsters en presència d’un àcid fort.

• Reacció de saponificació. És la reacció d’un àcid gras amb una base forta (NaOH o KOH) que dóna lloc a una sal d’àcid gras, que s’anomena sabó. Aquesta reacció és molt important perquè si bé els àcids grassos són insolubles en aigua, les molècules de sabó formen grups (micel·les) que es dispersen a l’aigua. És a dir, que tot i que són insolubles, forSAPONIFICACIÓ O O men dispersions col·loïdals. La diferència és deguda al fet CH3(CH2)14C  NaOH ------------→ CH3(CH2)14CONa  H2O que, si bé el grup carboxil (COOH) de l’àcid gras s’ionitOH za molt poc, és a dir, origina pocs COO i H, el grup Palmitat sòdic Àcid palmític Hidròxid sòdic Aigua COONa i el grup COOK s’ionitzen molt, és a dir, oriReacció de saponificació. ginen molts radicals COO. Els lípids

47

2.2. Les propietats físiques dels àcids grassos La solubilitat Els àcids alifàtics de 4 i 6 carbonis són solubles en aigua, per la qual cosa no es consideren àcids grassos. En canvi, a partir de 8 carbonis són pràcticament insolubles en aigua i, per tant, ja es consideren àcids grassos. El motiu és perquè, com que el grup carboxil (COOH), la part hidròfila, s’ionitza molt poc, resulta poc significativa respecte a la part hidròfoba, relativament gran, que és predominant. Com més gran és la cadena hidrocarbonada d’un àcid gras, més insoluble és en aigua i més soluble és en dissolvents apolars. En canvi, els sabons són molècules amfipàtiques, és a dir, són molècules bipolars que presenten una part hidròfila, que és el grup carboxil ionitzat (COO), que, com que té càrrega elèctrica, estableix atraccions de tipus elèctric amb les molècules d’aigua i altres molècules polars, i una part hidròfoba, part que presenta repulsió respecte a l’aigua, que és la cadena hidrocarbonada (CH3CH2CH2 ···), capaç d’establir enllaZona hidròfila ços de Van der Waals Zona hidròfoba (lipòfila) O amb molècules lipíC diques. CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2  O

H3C

CH2

CH2

CH3(CH2)14COOK –→ CH3(CH2)14COO  K

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

–→

Ió palmitat

Ió palmitat mostrant la seva part hidròfoba i hidròfila.

Ionització del sabó palmitat potàssic.

Quan es posa un sabó sobre l’aigua, les seves molècules es disposen amb els grups carboxils situats dintre de l’aigua i la cadena hidrocarbonada fora d’ella formant una estacada, que constitueix una fina pel·lícula superficial. Si per agitació aquesta pel·lícula s’enfonsa, les molècules es disposen juntes, amb la part hidròfoba cap a dintre i la part hidròfila cap a fora, i originen unes estructures més o menys esfèriques anomenades micel·les, que constitueixen dispersions col·loïdals. Les micel·les poden ser monocapes o bicapes si engloben aigua a l’interior. Quan una micel·la monocapa atrapa aire es diu que té un efecte escumós, i si conté gotetes de lípids es diu que té un efecte emulsionant o detergent.

Representació del sabó sobre aigua.

Aigua

Micel·la monocapa Micel·la bicapa

Aigua Efecte emulsionant

Aigua

Efecte escumós

Micel·la bicapa. 48

Micel·les monocapes. unitat 3

2

Els lípids són insolubles en aigua. Després de remenar-los donen emulsions inestables.

3

Després de l’addició de sabó es forma una membrana haptògena a la superfície de les gotetes de greix.

Apareix una emulsió persistent.

 Na Na

Na 

(CH3(CH2)14 COO  Na ) 2

n

Na



Na Na



Na

Na

Na

Na

Na

Molècules ionitzades d’un tipus de sabó, el palmitat sòdic

Na

Na

Na

Na Na

Na Na Na

Na

El punt de fusió

Efecte emulsionant o detergent.

enllaços d’hidrogen

Els àcids grassos tendeixen a agrupar-se perquè entre els grups carboxils s’estableixen enllaços d’hidrogen i, sobretot, perquè entre els trams lipòfils de les cadenes es formen enllaços per forces de Van der Waals. Com més llarga sigui la cadena alifàtica més enllaços per forces de Van der Waals es formen i, en conseqüència, presenten més tendència a constituir sòlids. Per fondre els sòlids cal trencar aquests enllaços i separar-ne les molècules. En els àcids grassos saturats, com més alt és el nombre de carbonis, més enllaços cal trencar, més energia calorífica s’ha de gastar i, per tant, més alt és el punt de fusió. En els àcids grassos insaturats, com que la presència d’enllaços dobles fa que les cadenes lineals presentin «colzes», i això dificulta l’ordenació espacial en paral·lel de les cadenes hidrocarbonades, no s’estableixen tants enllaços per forces de Van der Waals. En conseqüència, els punts de fusió dels àcids grassos insaturats són molt més baixos que els dels àcids grassos saturats de pes molecular semblant.

forces de Van der Waals

HO



O

C

C

 O

OH O 

HO C

C

 O

O

HO



OH

C

C



Gota de greix

O

O

HO



OH

C

C



1

OH

O

Formació d’enllaços d’hidrogen i enllaços per forces de Van der Waals entre molècules d’àcids grassos saturats.

Àcids grassos saturats

Punt de fusió (° C)

Mirístic CH3(CH2)12COOH

53,9

Palmític CH3(CH2)14COOH

63,1

Esteàric CH3(CH2)16COOH

69,6

Lignocèric CH3(CH2)22COOH

86,0

Àcids grassos insaturats Oleic CH3(CH2)7CH  CH(CH2) 7COOOH

13,4

Linoleic CH3(CH2)4CH  CHCH2CH  CH(CH2)7COOH

5,0

Activitats 1 Explica com creus que els sabons poden treure les taques de greix. 2 Per què no s’uneixen les micel·les entre si? 3 Desenvolupa la reacció d’obtenció de l’oleat d’etil.

Els punts de fusió dels principals àcids grassos. Els lípids

49

3 Els lípids amb àcids grassos

o saponificables Els lípids saponificables són els que contenen àcids grassos, les molècules que es necessiten per fabricar sabons. Tots els lípids saponificables són èsters, és a dir, són el producte de la unió d’un àcid gras i un alcohol. Pertanyen a aquest grup els lípids simples o hololípids i els lípids complexos o heterolípids.

3.1. Els lípids simples Els lípids simples o hololípids són èsters formats exclusivament per àcids grassos i un alcohol. Comprenen dos grups de lípids: els acilglicèrids i els cèrids. Els acilglicèrids

Diacilglicèrid. Acilglicèrid que conté dues molècules d’àcids grassos. Monoacilglicèrid. Acilglicèrid que conté una molècula d’àcid gras. Triacilglicèrid o triglicèrid. Acilglicèrid que conté tres molècules d’àcids grassos.

Els acilglicèrids o greixos* són lípids simples formats per l’esterificació d’una, dues o tres molècules d’àcids grassos amb una molècula d’alcohol, anomenada glicerina (propantriol). Són molècules insolubles en aigua, sobre la qual floten perquè tenen una baixa densitat. Els greixos són acilglicèrids amb funció de reserva alimentària (energètica) en l’organisme. En els animals els greixos s’emmagatzemen en els adipòcits (cèl·lules adiposes) del teixit adipós. La seva combustió metabòlica produeix 9,4 quilocalories per gram. Segons el nombre d’àcids grassos que formen la molècula dels acilglicèrids, reben el nom de monoacilglicèrids*, diacilglicèrids* i triacilglicèrids o triglicèrids*. Aquests últims són els més abundants en la natura. O CH3(CH2)14COH O

O HOCH2

CH3(CH2)14COH  HOCH O CH3(CH2)14COH Àcid palmític

Reaccions dels acilglicèrids: esterificació.

HOCH2 Glicerina (propantriol)

ESTERIFICACIÓ

--------------------→

CH3(CH2)14COCH2 O CH3(CH2)14COCH  3 H2O O CH3(CH2)14COCH2 Triacilglicèrid (tripalmitina)

Els acilglicèrids que presenten com a mínim un àcid gras insaturat, a temperatura ambient, són líquids i reben el nom d’olis. Per exemple, l’oli d’oliva està constituït bàsicament pel triglicèrid trioleïna, format per una glicerina i tres àcids oleics. Si tots els àcids grassos són saturats, a temperatura ambient, els acilglicèrids són sòlids i reben el nom de sèu. Per exemple, el sèu de bou i el de cavall estan constituïts bàsicament pel triglicèrid triestearina, format per una glicerina i tres àcids esteàrics. Els acilglicèrids que presenten àcids grassos de cadena curta, a temperatura ambient, són semisòlids i reben el nom de mantega. En realitat en una mantega hi ha molts tipus diferents d’acilglicèrids.

Els acilglicèrids els trobem als olis i a les mantegues. 50

Els triacilglicèrids estan mancats de polaritat, per la qual cosa també s’anomenen greixos neutres. Tan sols els monoacilglicèrids i els diacilglicèrids tenen una polaritat feble a causa dels radicals hidroxil que deixen lliures en la glicerina. Els acilglicèrids davant de bases donen lloc a reaccions de saponificació, en les quals es produeixen molècules de sabó. unitat 3

O

O

CH3(CH2)14COCH2 O

SAPONIFICACIÓ

HOCH2 CH3(CH2)14CONa O

CH3(CH2)14COCH  3 NaOH O

--------------------→

HOCH  CH3(CH2)14CONa O

CH3(CH2)14COCH2 Tripalmitina

HOCH2 CH3(CH2)14CONa Hidròxid sòdic

Glicerina

Palmitat sòdic (sabó)

Reaccions dels acilglicèrids: saponificació.

Els cèrids o ceres Els cèrids o ceres són lípids que s’obtenen per l’esterificació d’un alcohol monovalent de cadena llarga i una molècula d’àcid gras. Tenen un marcat caràcter lipòfil als dos extrems de la molècula. Originen làmines impermeables que protegeixen l’epidermis i les formacions dèrmiques dels animals (pèls, plomes, etc.) i la superfície de molts òrgans vegetals (fulles, tiges i fruits). També es poden trobar barrejats amb àcids grassos lliures i esteroides, com és el cas de la cera d’abella, l’espermaceti de les balenes, la lanolina o cera protectora de la llana, el cerumen del conducte auditiu, etc.

O

ESTERIFICACIÓ

O

CH3(CH2)14COH  HOC30H61 Alcohol miricílic Àcid palmític

--------------------→

CH3(CH2)14COC30H61  H2O Palmitat de miricil (cera d’abella)

Formació d’un cèrid.

Activitats 4 Reconeix, entre els compostos següents, acilglicèrids i cèrids. a) CH3(CH2)14COOCH2 | CHOH | CH2OH b) CH2OHCHOHCH2OH c) C30H61OCO(CH2) 14CH3 d) CH3(CH2) 2COOH e) CH3(CH2) 2COONa f) C30H61OH g) CH3(CH2)14COOOC30H61 5 Construeix un diacilglicèrid mitjançant l’esterificació de les molècules següents: glicerina, àcid esteàric i àcid oleic. 6 Escriu la fórmula del triesteracilglicèrid (triestearina). 7 La hidròlisi d’un determinat lípid dóna lloc a glicerina i àcid esteàric en proporció 1:2. Quina n’és la molècula inicial? Desenvolupa’n la fórmula. 8 La saponificació d’un determinat lípid dóna lloc a glicerina i a estearat sòdic en proporció 1:3. Desenvolupa la fórmula d’aquest lípid i la reacció que hi ha tingut lloc. 9 Per què la trioleïna és un oli i, en canvi, la triestearina és un sèu?

Els lípids

51

3.2. Els lípids complexos Els lípids complexos són èsters formats per àcids grassos, un alcohol i un tercer tipus de molècules. Són les principals molècules constitutives de la doble capa lipídica de les membranes plasmàtiques, per la qual cosa també s’anomenen lípids de membrana. Igual que els sabons, aquests lípids tenen comportament amfipàtic. En contacte amb l’aigua, els lípids complexos es disposen formant bicapes, en les quals les zones lipòfiles queden a la part interior i les zones hidròfiles, a l’exterior, en contacte amb les molècules d’aigua. Els lípids complexos es divideixen en tres grups: els fosfoglicèrids, els fosfoesfingolípids i els glicoesfingolípids. El conjunt dels dos primers grups rep el nom de fosfolípids i el tercer grup també rep el nom de glicolípids. Fosfoglicèrids Els fosfoglicèrids són èsters formats per dos àcids grassos, una glicerina, un àcid fosfòric i un alcohol. Generalment l’alcohol és un aminoalcohol, és a dir, porta un grup amino (NH2).

Àcid gras insaturat O C

OH  HOCH O

C

OH  HOCH

O

CH2OHHOPOHHOCH2CH2NH2

Àcid gras saturat

Glicerina Zona hidròfoba

O Àcid fosfòric

Etanolamina

Zona hidròfila

COOCH COOCH

O

CH2OPO CH2CH2NH2 O

Àcid fosfatídic



La fosfatidiletanolamina o cefalina.

àcids grassos



C

C

L’àcid fosfòric i el grup amino s’ionitzen i constitueixen el grup polar de la molècula. Els fosfoglicèrids són les molècules més abundants de la membrana plasmàtica.

O O

CH2

O O

CH

glicerina àcid ortofosfòric alcohol

CH2 O OP OH O –

CH2 CH2 N

La fosfatidilcolina o lecitina. 52

CH3 CH3 CH3

Els fosfoglicèrids més abundants són la fosfatidiletanolamina o cefalina, especialment abundant al cervell, la fosfatidilcolina o lecitina, especialment abundant al fetge, al cervell i el rovell d’ou, i la fosfatidilserina, especialment abundant a la cara interna de la membrana plasmàtica. unitat 3

Fosfoesfingolípids Els fosfoesfingolípids són èsters formats per la unió d’un àcid gras, una esfingosina*, un grup fosfat i un aminoalcohol. El fosfoesfingolípid més abundant és l’esfingomielina. Es tracta d’una molècula present a les membranes plasmàtiques i és especialment abundant a les beines de mielina que protegeixen els àxons de les neurones. Els fosfoesfingolípids també tenen comportament amfipàtic.

Esfingosina. Aminoalcohol de cadena llarga.

Zona hidròfila

Zona hidròfoba Esfingosina CH3(CH2)12CH  CHCHOH CH3(CH2)22CONHCH Àcid lignocèric Ceramida

Colina

O

CH3  CH2OPO CH2CH2N CH3 CH3 O

Fosfoesfingolípid: esfingomielina.

Glicoesfingolípids Els glicoesfingolípids són èsters formats per la unió d’un àcid gras, una esfingosina i un glúcid. No presenten grup fosfat i es troben a les bicapes lipídiques de les membranes plasmàtiques de totes les cèl·lules. Se situen a la cara externa de la membrana, on fan la funció de receptors de molècules externes. Són especialment abundants a les neurones del cervell. En els botons sinàptics dels sistema nerviós actuen com a receptors de neurotransmissors. Se’n diferencien dos tipus, segons el glúcid que contenen: els cerebròsids i el gangliòsids. • Els cerebròsids presenten un únic monosacàrid o un oligosacàrid senzill de menys de quinze monosacàrids.

Zona hidròfila

Zona hidròfoba Esfingosina CH3(CH2)12CH  CHCHOH

OH

CH3(CH2)22CONHCH Àcid lignocèric

H

CH2O

H

H

HO H

H

OH CH2OH

O

Ceramida

Glicoesfingolípid cerebròsid.

• Els gangliòsids presenten un oligosacàrid complex en el qual sempre hi ha una molècula anomenada àcid siàlic.

Zona hidròfila

Zona hidròfoba Esfingosina CH3(CH2)12CH  CHCHOH CH3(CH2)22CONHCH Àcid lignocèric Ceramida

H

H

CH2O

O

H

OO CH2OH

H O

O CH2OH

H

H

H O

O CH2OH

H O……

O CH2OH

Glicoesfingolípid gangliòsid. Els lípids

53

Isoprè

Geraniol

Fitol

CH2

CH3

CH3

C

CH3

C

CH3

HC

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2 CH3

o insaponificables CH3

CH

C

4 Els lípids sense àcids grassos

HC

Els lípids insaponificables són els que no presenten àcids grassos en la seva composició. N’hi ha tres tipus: els isoprenoides, els esteroides i les prostaglandines.

4.1. Els isoprenoides CH3

CH

CH2

CH2OH

CH2

Els isoprenoides o terpens són molècules derivades de la polimerització d’una molècula anomenada isoprè que és el 2-metil-1,3-butadiè. Poden formar cadenes lineals o cícliques. Segons el nombre de molècules d’isoprè poden ser: • Monoterpens. Contenen 2 molècules d’isoprè. Comprenen algunes essències vegetals com el mentol de la menta, l’eucaliptol de l’eucaliptus, el limonè de la llimona i el geraniol del gerani. • Diterpens. Contenen 4 molècules d’isoprè. Són, per exemple, el fitol, que és un component de la clorofil·la, i les vitamines A, E i K. • Triterpens. Contenen 6 molècules d’isoprè. Un exemple es l’esqualè, a partir del qual se sintetitza el colesterol al fetge. • Tetraterpens. Contenen 8 molècules d’isoprè. Els trobem als pigments fotosintètics anomenats carotenoides. Aquests es divideixen en carotens (de color vermell) i xantofil·les (de color groc). Aquests pigments generalment estan tapats pel color verd de la clorofil·la, però quan aquesta es destrueix es poden observar en les coloracions vermelles i grogues que presenten les fulles velles i alguns fruits madurs com ara tomàquets, pomes, pebrots, etc. A partir d’una molècula de carotenoides, l’organisme pot obtenir dues molècules de vitamina A. • Politerpens. Contenen més de 8 molècules d’isoprè. Cal destacar-ne el cautxú, que és un polímer format per milers de molècules d’isoprè, disposades linealment, que s’obté de l’arbre Hevea brasiliensis.

CH2 HC

CH3

CH2 CH2 CH2 C

CH3

CH CH2OH

Isoprenoides. 18

CH3 19

11

CH3 A

C

17

13 14

D

16 15

9

1 2 3

12

10 5

B

8 7

4.2. Els esteroides

6

4

Esterà o ciclopentà perhidrofenantrè. 22

21

23

H3C CH3

20

26

24

CH3

17 25

CH3

CH3 27

3

HO

Colesterol. H3C CH3 H2C

HO

Àcid biliar. 54

H3C

CH3 CH3

Els esteroides són els lípids derivats de l’esterà o ciclopentà perhidrofenantrè. N’hi ha de dos tipus: esterols i hormones esteroides. • Esterols. Són els esteroides que posseeixen un grup hidroxil unit al carboni 3 i una cadena alifàtica en el carboni 17. Els esterols són el grup més nombrós dels esteroides, els més importants dels quals són: – El colesterol forma part de les membranes de les cèl·lules dels animals, especialment de la plasmàtica, a les quals confereix estabilitat, ja que se situa entre els fosfolípids i fixa aquestes molècules. El radical hidroxil constitueix el seu pol hidròfil. El colesterol és molt abundant en l’organisme, i és la molècula que serveix per a la síntesi de gairebé tots els esteroides. Es forma a partir de la ciclació del triterpè esqualè, per la qual cosa els esteroides es consideren derivats dels triterpens. – Els àcids biliars són un grup de molècules produïdes al fetge a partir del colesterol, i de les quals deriven les sals biliars, que s’encarreguen de l’emulsió dels greixos a l’intestí, fet que afavoreix l’acció de les lipases i la posterior absorció intestinal. – El grup de les vitamines D està format per un conjunt d’esterols que regulen el metabolisme del calci i la seva absorció intestinal. Cada vitamina D prové d’un esterol diferent. La síntesi d’aquestes vitamines és induïda a la pell pels rajos ultraviolats. La seva mancança origina raquitisme en els infants i osteomalàcia en els adults. unitat 3

– L’estradiol és l’hormona encarregada de regular l’aparició dels caràcters sexuals secundaris femenins. • Hormones esteroides. Són els esteroides que tenen un àtom d’oxigen unit al carboni 3 per mitjà d’un doble enllaç. Se’n diferencien dos grups: – Entre les hormones suprarenals hi ha l’aldosterona, que incrementa la reabsorció d’ions sodi i clorur al ronyó, i el cortisol, que actua afavorint la síntesi de glucosa i de glicogen i el catabolisme de lípids i proteïnes. Totes aquestes hormones se sintetitzen a les càpsules suprarenals, situades a l’extrem apical de cada ronyó. – Entre les hormones sexuals hi ha la progesterona, que prepara els òrgans sexuals femenins per a la gestació, i la testosterona, responsable dels caràcters sexuals masculins.

CH2OH

H

17

11

CH3

O

C

OC

HO

3

O

Aldosterona.

OH CH3 17

CH3

4.3. Les prostaglandines Les prostaglandines són substàncies derivades de l’àcid prostanoic, el qual està constituït per un anell ciclopentà i dues cadenes alifàtiques. Les principals funcions de les prostaglandines són: estimular els receptors del dolor i iniciar la vasodilatació dels capilars, fer aparèixer la febre (ja que s’acumula a l’hipotàlam), disminuir la pressió sanguínia, reduir la secreció de sucs gàstrics estimular la musculatura llisa de l’úter; els seus derivats tromboxans afavoreixen l’agregació plaquetària.

3

O

Testosterona.

8 10 11

5 Les funcions dels lípids Les funcions dels lípids són les següents: • Funció de reserva energètica. Els lípids són la principal reserva energètica de l’organisme. Un gram de greix produeix 9,4 quilocalories en les reaccions metabòliques d’oxidació, mentre que els pròtids i els glúcids tan sols produeixen 4,1 quilocalories/gram. Aquesta funció la duen a terme els acilglicèrids. • Funció estructural. Fan aquesta funció els lípids que formen les bicapes lipídiques de la membrana cel·lular. • Funció protectora. Els acilglicèrids recobreixen els òrgans per protegir-los dels cops; les ceres recobreixen la superfície de la pell, els fruits, les plomes i els greixos, i actuen com a aïllants tèrmics. • Funció biocatalitzadora. Compleixen aquesta funció les vitamines lipídiques, les hormones lipídiques i les prostaglandines. • Funció transportadora. El transport dels lípids des de l’intestí fins al lloc on s’utilitzen o fins al teixit adipós, on s’emmagatzemen, es fa per mitjà de l’emulsió dels lípids gràcies als àcids biliars i els proteolípids.

7 6

9

5 4

3

2

1

12 13

14

15

16

17

18

19

20

Àcid prostanoic del qual deriven les prostaglandines.

Activitats 10 Quin efecte té la presència de colesterol a la membrana de la cèl·lula animal? 11 Classifica l’aldosterona dins dels lípids. 12 Per què els animals utilitzen lípids com a reserva energètica i els vegetals utilitzen més sovint glúcids per a la mateixa finalitat? 13 A què és degut que els lípids que hi ha als aliments no se separin de l’aigua durant el pas per l’intestí?

Els lípids

55

Activitats 14 Quines són l’estructura i les propietats dels àcids grassos?

28 Explica els mètodes que coneguis per obtenir vitamina D.

15 Defineix l’esterificació i posa’n un exemple.

29 Quins lípids hi ha a les beines de mielina de les neurones?

16 Què és un sabó? Explica com es forma.

30 Moltes vegades es diu que la matèria orgànica és la que està constituïda bàsicament per àtoms de carboni i hidrogen. Indica alguns exemples de biomolècules que només presenten aquests dos tipus d’àtoms.

17 De què depèn el punt de fusió d’un àcid gras? Per què? 18 Com es fa la hidròlisi dels greixos?

31 Relaciona les molècules amb el tipus de lípids.

19 Quin problema tindrien els ocells si l’energia s’emmagatzemés en forma de glicogen en lloc de fer-ho en forma de triglicèrids?

a) Vitamina A b) Trioleïna c) Lecitina d) Àcid oleic e) Gangliòsid f) Colesterol

20 Per què les plantes tenen la major part de les reserves energètiques en forma de polisacàrids i no de lípids? Quines estructures vegetals presenten part de les reserves energètiques en forma de lípids? Per què? 21 Per què les ceres resulten més apropiades per impermeabilitzar estructures que els acilglicèrids?

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Glucoesfingolípid TriaciIglicèrid Isoprenoide Esteroide Fosfoglicèrid Àcid gras

32 Indica tres lípids que tinguin funció de reserva energètica, tres amb funció estructural, dos amb funció impermeabilitzant i tres amb funció transportadora. A què és degut que cadascun tingui aquestes funcions?

22 Quins lípids s’anomenen lípids de membrana? Quina característica comuna tenen? 23 La hidròlisi d’un lípid complex ha donat colina, un àcid gras, àcid fosfòric i esfingosina. Dibuixa’n l’estructura i indica de quin lípid es tracta i on es troba.

www

24 Escriu la reacció de saponificació d’un sèu de porc que conté triestearina amb sosa càustica (NaOH).

33 Consulta la web http://www.um.es/molecula/lipi08.htm i fes el test de resposta múltiple sobre els lípids.

25 Indica les semblances i les diferències entre fosfoglicèrids, fosfoesfingolípids i triacilglicèrids.

34 Fes el test de resposta múltiple sobre els lípids que trobaràs a la web: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/ biomol/actividades.htm

26 En què es diferencia un esterol d’un esteroide? 27 Quantes molècules d’isoprè són necessàries per formar una molècula de colesterol?

a

3,6

2,4

0

1,3

1,6

0,1

Palmític

25,5

29,3

24,8

19,9

14,1

22,6

7,6

Esteàric

5

33,6

34,2

3,2

1,6

5,6

3,3

Palmitoleic

8

4,4

1,4

3

1,8

1,6

3,5

47,5

21,5

27,3

53,5

35,5

18,7

33,6

3

1,2

1,3

19,4

43,9

50,9

51,5

Oleic Linoleic

56

b

Gira-sol

4,5

Linoleic

Mirístic

Oleic

Gira-sol

Oliva Blat de moro Cotó

Cotó

Palmitoleic

Blat de moro

Ovella

Oliva

Esteàric

Ovella

Palmític

Vaca

% en la l’ésser humà

Persona

Persona

PRINCIPALS ÀCIDS GRASOS (%) COMPONENTS DELS DIPÒSITS DE GREIXOS

Mirístic

35 Observa la taula i els dos gràfics i fes les activitats.

Vaca

% àcid mirístic

Interpretació de dades

unitat 3

Actividades de Ampliación a) Elabora gràfics, com el A, que mostrin les diferents concentracions d’àcids grassos palmític i oleic per als éssers vius que hi ha a la taula. b) Elabora dos gràfics, com el B, que mostrin les diferents concentracions d’àcids grassos que contenen la vaca i el blat de moro. c) Quin àcid gras permet diferenciar els animals dels vegetals? d) Quins àcids grassos tenen una concentració similar en animals i en vegetals? e) Apareixen en la mateixa proporció els àcids grassos saturats que els àcids grassos insaturats? 36 En analitzar la llet es comprova que els lípids tenien l’estructura: CH2OCOR1 | CHOCOR2 | CH2OCOR3 Indica quin tipus de lípid és i quin tipus d’enllaç ha permès que es formés. 37 A la taula adjunta s’indiquen els percentatges de lípids presents en alguns tipus de membranes de cèl·lules de mamífers i d’una membrana bacteriana. Membrana plasmàtica d’eritròcit

Membrana plasmàtica de leucòcits

Embolcall nuclear

Membrana interna mitocondrial

Membrana bacteriana

Fosfatidilcolina

23

28

55

48

–

Fosfatidiletanolamina

20

15

24

30

100

Fosfatidilserina

11

7

4

–

–

Esfingomielina

18

14

2

–

–

Esterols

Colesterol

25

20

5

–

–

Altres

…

3

16

10

22

–

Tipus de lípid

Lípid de membrana

Fosfolípid

a) Esmenta dues diferències importants en la composició lipídica de la membrana dels eritròcits i la membrana interna del mitocondri. b) Indica si aquesta taula aporta alguna dada que avali la hipòtesi que els mitocondris procedeixen de possibles bacteris simbionts. 38 Observa el dibuix de la membrana plasmàtica i indica quins tipus de lípids hi són representats i quina propietat tenen en comú. Què creus que els fa idonis per constituir membranes?

MEDI EXTERN

proteïna perifèrica

glicoproteïnes Glicocàlix

glicolípid

fosfolípids colesterol

Bicapa lipídica

Citoplasma proteïna integral

Els lípids

proteïna transmembranosa

proteïna perifèrica

57

Laboratori Les propietats químiques dels lípids Material: deu tubs d’assaig, quatre pipetes, comptagotes, trípode i reixeta aïllant, dos vasos de precipitats de 250 cm3, espàtula, focus de calor i retolador per a vidre. Lípids: oli d’oliva o de gira-sol, llet, mantega, margarina, fruits secs, sèu de porc, aigua normal i aigua destil·lada. Composició dels reactius: alcohol etílic al 70 %, dissolvent orgànic: èter, benzè, octà (benzina), xilè, etc., dissolució concentrada de sabó, àcid clorhídric, hidròxid sòdic al 20 % i Sudan III.

Solubilitat dels lípids Els lípids no són polars. Per tant, no es poden dissoldre en aigua, sinó que tan sols es poden dissoldre en líquids no polars, els grups lipòfils dels quals estableixen enllaços de Van der Waals amb els lípids. Tinció amb sudan III El Sudan III és un colorant específic de greixos. Per preparar-lo, dissol una mica de Sudan III en pols en alcohol de 70° fins que la solució quedi saturada, i després filtra-la. Emulsió persistent Quan es remena una mescla d’oli i aigua, es forma una emulsió inestable. Si s’espera uns moments, es veu que les gotes de greix, com que són menys denses, pugen i s’uneixen entre si, i així es formen dues capes. Si es repeteix l’experiència, però afegint-hi sabó, l’emulsió que es forma és permanent. Això és degut al fet que les gotes d’oli es recobreixen d’una capa de molècules de sabó, i aquestes queden amb el pol lipòfil unit a l’oli i el pol hidròfil ionitzat cap a l’exterior (en contacte amb l’aigua). Com que tenen la mateixa càrrega (–), aquestes partícules es repel·leixen i l’oli queda emulsionat. Saponificació Si es fa reaccionar un acilglicèrid (oli o greix) amb una base forta, com la sosa (hidròxid sòdic) o la potassa (hidròxid potàssic) es forma sabó (una sal sòdica o potàssica d’àcid gras) i s’allibera la glicerina que queda dissolta a l’aigua. El sabó forma una capa sòlida a la superfície del recipient.

Practica 39 SOLUBILITAT DELS LÍPIDS. Col·loca en cadascun dels tubs d’assaig 2 ml d’oli i afegeix a cada tub la mateixa quantitat d’un dissolvent orgànic. Per acabar, aboca-hi aigua. Remena-ho i anota’n els resultats. 40 TINCIÓ AMB SUDAN III. Col·loca 2 ml d’oli en un tub d’assaig, aboca-hi 2 ml d’aigua i deixa-ho reposar. Un cop formades les dues fases, deixa-hi caure 5 gotes de Sudan III i remena-ho. Deixa-ho reposar i anota’n els resultats. Col·loca 2 ml de llet en un tub d’assaig. Afegeix-hi 10 ml d’aigua i 5 gotes de Sudan III i remena-ho. Observa que tot es tenyeix de color rosa. Si a continuació hi afegeixes 1 ml de HCl al 50 % i ho escalfes lleugerament, veuràs l’aparició de tres fases. La superior, de color rosa, formada per greixos; la intermèdia, que conté aigua

58

i lactosa dissolta, i la fase inferior, que conté proteïnes desnaturalitzades, que són les que mantenien la suspensió de lípids de la llet. 41 EMULSIÓ PERSISTENT. Posa 2 ml d’oli en un tub d’assaig i afegeix-hi 10 ml d’aigua. Remena-ho, espera uns quants minuts i anota el que hi observis. Afegeix-hi 1 ml de solució concentrada de sabó i torna-ho a remenar. Espera uns quants minuts i anota les diferències observades respecte de la primera emulsió. 42 SAPONIFICACIÓ. Col·loca 50 ml d’oli i 50 ml de NaOH al 20 %; escalfa-ho i remena-ho durant uns 20 minuts. Deixa-ho reposar 24 hores i observa l’aparició de tres capes. Explica com és cadascuna de les capes que s’han format en aquesta experiència.

unitat 3

4

Les proteïnes

CONTINGUTS

1 2 3 4

Els aminoàcids L’enllaç peptídic L’estructura de les proteïnes Les propietats de les proteïnes 5 La classificació de les proteïnes 6 Les funcions de les proteïnes

Les proteïnes es formen per la unió d’un nombre variable de vint tipus d’aminoàcids. La combinació d’aquestes petites molècules origina milers de proteïnes diferents. Les proteïnes constitueixen més de la meitat del pes sec de les cèl·lules animals. A la membrana cel·lular hi ha proteïnes amb la funció de seleccionar i regular el pas de substàncies. A l’ interior de la membrana hi ha proteïnes que intervenen en la constitució dels orgànuls cel·lulars i d’altres que tenen la funció enzimàtica de regular qualsevol tipus de reacció química cel·lular. • Quina funció tenen les proteïnes en l’ésser humà? Per què és necessari consumir-ne? Estructura d’una proteïna.

1 Els aminoàcids 1.1. L’estructura dels aminoàcids Una proteïna es pot definir com un polímer d’aminoàcids. Els aminoàcids són compostos orgànics de baix pes molecular que es caracteritzen pel fet de tenir un grup carboxil (COOH) i un grup amino (NH2). Els aminoàcids que constitueixen proteïnes, els anomenats aminoàcids primaris, presenten aquests dos grups units al mateix carboni, l’anomenat carboni α, i per això s’anomenen aminoàcids de tipus α. Les altres dues valències del carboni se saturen amb un àtom de H i amb un grup variable anomenat radical R. Segons aquest, es distingeixen vint tipus d’aminoàcids primaris.

H HNCCOOH

2

R

A més d’aquests, en els organismes hi ha uns altres tipus d’aminoàcids que mai no formen proteïnes. Aliments rics en proteïnes i, per tant, en aminoàcids.

Les cèl·lules animals no són capaces de sintetitzar els vint tipus d’aminoàcids. Els que no poden sintetitzar reben el nom d’aminoàcids essencials i han de ser ingerits en la dieta. Els éssers humans tenim vuit aminoàcids essencials: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptòfan i valina. Els noms abreujats dels vint aminoàcids primaris es formen amb les tres primeres lletres dels seus noms en anglès. Per exemple, Gly significa ’glicina’ i Ala, ’alanina’.

1.2. Les propietats dels aminoàcids Les propietats físiques dels aminoàcids Els aminoàcids són compostos sòlids, cristal·lins, amb un punt de fusió elevat i solubles en aigua. O

O

OH

C

Un aminoàcid té una configuració D si, quan es disposa en l’espai de manera que el grup carboxil quedi a dalt, el grup NH2 queda situat a la dreta, mentre que, si es troba a l’esquerra, té una configuració L.

C

C

NCH

HCN

R

R

H H

Configuració L

H H

Configuració D

COOH

C R

R H

H

Configuració L i D dels aminoàcids. 60

COOH

Tots els aminoàcids, menys un, anomenat glicocol·la o glicina, presenten el carboni α asimètric, ja que està enllaçat a quatre radicals diferents: un grup amino, un grup carboxil, un radical R i un hidrogen. A causa d’això, els aminoàcids presenten activitat òptica, és a dir, són capaços de desviar el pla de llum polaritzada que travessa una dissolució d’aminoàcids. Si un aminoàcid desvia el pla de llum polaritzada cap a la dreta, s’anomena dextrogir o (), i si ho fa cap a l’esquerra, levogir o ().

OH

La disposició L o D és independent de l’activitat òptica. Per això, un L-aminoàcid pot ser levogir o dextrogir, i passa el mateix amb la configuració D. En la naturalesa, la forma L és la més abundant. unitat 4

Les propietats químiques dels aminoàcids En dissolució aquosa, els aminoàcids es comporten a la vegada com a àcids i com a bases, la qual cosa s’anomena comportament amfòter. És a dir, el grup àcid o carboxil allibera protons (COOH → COO  H) i el grup bàsic o amino capta protons NH2  H → NH3. S’origina així una forma dipolar iònica anomenada zwitterió. pH  7 En un medi àcid, és a dir, en un medi H NCHCOOH H NCHCOO 3 3  amb molts protons (H ), el grup carbo H R R xil de l’aminoàcid capta aquests protons Captació de protons i deixa, doncs, de comportar-se com un àcid COO  H → COOH. Per tant, l’aminoàcid només es comporta com una base. En un medi bàsic, és a dir, en un medi amb pocs protons (H), el grup amino de l’aminoàcid allibera protons, o sigui, deixa de comportar-se com una base (NH3 → NH2  H). Per tant, l’aminoàcid només es comporta com un àcid. D’aquesta manera, els aminoàcids mantenen constant el pH del medi (efecte amortidor o tampó). El pH en el qual un aminoàcid tendeix a adoptar una forma dipolar neutra, amb tantes càrregues positives com negatives, s’anomena punt isoelèctric.

pH 7

H2NCHCOO H

R

Alliberació de protons

Reacció de formació d’un zwitterió i el seu comportament amfòter.

1.3. La classificació dels aminoàcids Segons el radical R que s’enllaça al carboni α, els aminoàcids es poden classificar en no polars o hidrofòbics, polars sense càrrega, polars amb càrrega negativa o àcids, i polars amb càrrega positiva o bàsics. • Aminoàcids no polars o hidrofòbics. Són els aminoàcids en els quals el radical R és una cadena hidrocarbonada com, per exemple, l’alanina. • Aminoàcids polars sense càrrega. Són els aminoàcids en els quals el radical R és una cadena que presenta radicals que formen enllaços d’hidrogen amb l’aigua. Per aquesta raó són més solubles que els anteriors, com, per exemple, la glicina i la cisteïna. • Aminoàcids polars amb càrrega negativa o àcids. Són els aminoàcids en els quals el radical R presenta un grup àcid (COOH). Són l’àcid aspàrtic i l’àcid glutàmic. • Aminoàcids polars amb càrrega positiva o bàsics. Són els aminoàcids en els quals el radical R presenta un grup bàsic, per exemple, un grup amipH no (NH2). És el cas de la lisina. 14

12

1 Quants carbonis asimètrics tenen els aminoàcids?

3 Què significa que un aminoàcid és amfòter? 4 Un aminoàcid té un punt isoelèctric de 6,5. Quina càrrega presentarà si el pH del medi és 6,5, si és 4 i si és 10? Explica en quin pH dels que s’han indicat abans l’aminoàcid es desplaçarà cap a l’ànode, quan ho farà cap al càtode i quan quedarà immòbil. Cal recordar que els cations són els ions positius i que es mouen cap al càtode que, per tant, és l’elèctrode negatiu. 5 Si el punt isoelèctric de l’alanina és 6, indica la càrrega i l’estructura d’aquest aminoàcid si el pH és 6. 6 Indica la càrrega i l’estructura química que presenta l’alanina si el pH té els valors 2 i 9. 7 Observa la gràfica adjunta sobre el comportament amfòter de l’alanina i interpreta-la.

Les proteïnes

H3NCHCOO



CH3

v H NCHCOO 2





H

CH3

10



H3NCHCOO

8



CH3 6

pH  6,02

Punt isoelèctric

4 

H3NCHCOOH



2

CH3 0,5

v

v

2 Desenvolupa la fórmula de l’únic -aminoàcid que no té activitat òptica.



v

Activitats



H3NCHCOOH



CH3 1

1,5

eq ⴢ OHⴚ

61

2

Fórmules dels vint aminoàcids proteics CLAU Abreviatura de l’aminoàcid i codi de color

Nom de l’aminoàcid

COOH

Aminoàcids polars sense càrrega

Part fixa

HC NH2 R

Ala

CODI DE COLOR Aminoàcids no polars

Aminoàcids amb càrrega positiva

Part variable (radical R)

Val ALANINA

Aminoàcids amb càrrega negativa

Leu VALINA

COOH

Ile LEUCINA

COOH

HC NH2

HC NH2

CH H 2C

CH2

Phe METIONINA

COOH H

HC  NH2

C

CH  CH2

CH

CH2

CH

CH3

Gly TRIPTÒFAN

COOH

H 2C

NH

H2C

CH2

CH3

Trp

FENILALANINA

COOH

PROLINA

COOH

CH2

H3C

Met

ISOLEUCINA

COOH

HC NH2

CH2

Pro

GLICINA

HC NH2

HC NH2

CH2

CH2

CH2

SERINA

COOH

COOH

HC NH2

Ser COOH

HC NH2

HC NH2

H

CH2 OH

CH2

N H

S CH3 Thr

Cys

Tyr

Asn

TREONINA

CISTEÏNA

TIROSINA

COOH

COOH

COOH

HC NH2 HOC H CH3

Gln

ASPARAGINA

GLUTAMINA

COOH

COOH

HC NH2

HC NH2

HC NH2

HC NH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C O

CH2

NH2

C O

SH OH

Asp

Glu

ÀCID ASPÀRTIC COOH

Lys

ÀCID GLUTÀMIC COOH

Arg LISINA COOH

His ARGININA

HISTIDINA

COOH

COOH

HC NH2

HC NH2

HC NH2

HC NH2

HC NH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

CH2

CH2

CH2

NH

NH2

N2HC NH2

COOH

COOH

62

NH2

HN HC

CH NH

unitat 4

2 L’enllaç peptídic Els enllaços químics entre aminoàcids s’anomenen enllaços peptídics, i les cadenes que es formen, pèptids. Quan els aminoàcids enllaçats són dos, la cadena s’anomena dipèptid; si en són tres, tripèptid, etc. Si en són menys de deu, s’anomena oligopèptid, i si en són més de deu, rep el nom de polipèptid. L’enllaç peptídic és un enllaç covalent que s’estableix entre el grup carboxil d’un aminoàcid i el grup amino del següent. Aquest enllaç dóna lloc al despreniment d’una molècula d’aigua. Enllaç peptídic



R’  H2NCCOOH  H

Aminoàcid 1

-------------→

H  H2NCCOOH  R

H R’   H NCCO  HNCCOOH  ------------→ 2   R H H2O

Aminoàcid 2

Dipèptid

Enllaç peptídic.

L’enllaç peptídic té un comportament similar al d’un enllaç doble, és a dir, presenta una certa rigidesa que immobilitza en un pla els àtoms que el formen.

enllaç peptídic

enllaç peptídic

Enllaç peptídic. Model de boles.

Activitats 8 Quins són els components d’una cadena polipeptídica i quin enllaç els uneix? 9 En quina direcció s’uneixen dos aminoàcids? Desenvolupa la fórmula del dipèptid format per la serina i la fenilalanina. 10 Un tripèptid format per tres aminoàcids alifàtics presenta a l’extrem amino lliure un aminoàcid amb radical hidròfob i a l’extrem carboxílic lliure un aminoàcid amb un radical àcid. L’aminoàcid central té un radical bàsic. Construeix aquest tripèptid escollint els tres aminoàcids d’entre els següents: Ser, Phe, Glu, Lys, Ala, Pro i His.

Les proteïnes

11 La tripsina és un enzim que hidrolitza els enllaços peptídics en els quals el grup carboxil aporta una lisina o una arginina. Quin és el resultat de la hidròlisi per mitjà de la tripsina sobre aquests pèptids? a) H2N - Lys - Met - Ala - Arg - Met - Val - COOH b) COOH - Lys - Arg - Met - Cys - Lys - Phe - NH2 12 Un polipèptid està format per quatre restes (el que resta de l’estructura molecular d’un aminoàcid després d’unir-se a un altre aminoàcid) d’alanina, tres restes de valina i dues restes de glicina. Quin pes molecular té?

63

3 L’estructura de les proteïnes Una proteïna és un polipèptid constituït per més de cinquanta aminoàcids o, el que és equivalent, que té un pes molecular igual o superior a 5.000 daltons. Algunes poden arribar a un pes molecular d’un milió de daltons. Com que hi ha dos aminoàcids primaris que tenen sofre, les proteïnes estan constituïdes per carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen, i generalment també sofre. Les proteïnes que presenten una cadena polipeptídica unida a un altre tipus de molècula també poden contenir fòsfor, ferro, coure, iode, etc. En l’estructura de les proteïnes, es diferencien quatre nivells: estructura primària, estructura secundària, estructura terciària i estructura quaternària.

3.1. L’estructura primària L’estructura primària és la seqüència d’aminoàcids de la proteïna. Informa dels aminoàcids que la constitueixen i de l’ordre en què s’han unit. Totes les proteïnes tenen un primer aminoàcid i un últim aminoàcid. El primer es reconeix perquè té el grup amino lliure (NH2), l’anomenat extrem N-inicial de la proteïna. L’últim es reconeix perquè té el grup carboxil lliure (COOH), l’anomenat extrem C-terminal. La seqüència d’una proteïna s’expressa enumerant els aminoàcids des de l’extrem N-inicial fins a l’extrem C-terminal. -----→

Extrem C-terminal

-----→

Extrem N-inicial

R1 H R3 H     H2NCCOHNCCOHNCCO ······ HNCCOOH 1 2 3 n     H R2 H Rn

H N  H

H  C  H

H  N C  O

Glicina

SH  CH2  C

C  O

H  C  CH2

H  N

N  H

Alanina

C  O Cisteïna

OH  CH2  C  H

O  C

H  C  H

N  H

Glicina

C  O

Serina

O

S C

C O

O C N

N C O

N

C

C C

N

C

C

C N

C O

C O

C

Hidrogen Carboni

Oxigen Sofre

Nitrogen

Estructura primària de les proteïnes. L’enllaç peptídic és tan fort que manté els àtoms que el formen en un pla sense possibilitats de deformació. 64

unitat 4

3.2. L’estructura secundària L’estructura secundària és la disposició en l’espai de l’estructura primària. Se’n coneixen tres tipus: la ␣-hèlix, l’hèlix de col·lagen i la conformació-␤. El tipus d’estructura secundària que presenta una cadena polipeptídica depèn del nombre d’enllaços d’hidrogen que presenta. És a dir, depèn dels aminoàcids que la formen i també de les condicions de tensió i de temperatura en què es troba. A mesura que els aminoàcids van sent enllaçats durant la síntesi de les proteïnes, i gràcies a la capacitat de gir dels enllaços no peptídics, la cadena polipeptídica adquireix una disposició o una altra. L’estructura secundària en ␣-hèlix Es forma quan l’estructura primària s’enrotlla helicoïdalment sobre si mateixa. Això és degut a la formació d’enllaços d’hidrogen entre l’oxigen del CO d’un aminoàcid i l’hidrogen del NH del quart aminoàcid que el segueix.

5,4 Å (pas de volta)

3,6 aminoàcids per volta

La formació espontània d’aquests enllaços d’hidrogen fa que tots els oxígens dels grups (CO) quedin orientats en la mateixa direcció, mentre que tots els hidrògens dels grups (NH) queden orientats en la direcció contrària, i es formi una hèlix que presenta 3,6 aminoàcids per volta. La -ceratina presenta estructura α-hèlix.

Imatge d’estructura secundària d’una cadena polipeptídica feta amb ordinador.

Enllaç d’hidrogen

H  N C  O

H  C  CH2

C  O N  H

Estructura secundària en -hèlix. Les proteïnes

65

L’estructura secundària de l’hèlix del col·lagen La cadena polipeptídica de la proteïna col·lagen té una disposició en hèlix especial, una mica més allargada que la -hèlix, a causa de l’abundància de prolina i hidroxiprolina. Els radicals d’aquests aminoàcids tenen una estructura que dificulta molt la formació d’enllaços d’hidrogen, per la qual cosa no es forma una

-hèlix, sinó una hèlix més estesa, que tan sols presenta tres aminoàcids per volta.

prolina

L’estabilitat de l’hèlix de col·lagen és deguda a l’associació de tres hèlixs, que originen una superhèlix o molècula completa de col·lagen. Les tres hèlixs s’uneixen per mitjà d’enllaços covalents i enllaços febles de tipus pont d’hidrogen. glicina

L’estructura secundària en conformació-␤ En la conformació- els aminoàcids no formen una hèlix, sinó una cadena estesa en forma de zig-zag, a causa de la manca d’enllaços d’hidrogen entre els aminoàcids pròxims. Si la cadena amb conformació- es replega, es poden establir enllaços d’hidrogen entre els segments, abans distants, que ara han quedat propers. Això dóna lloc a una làmina en ziga-zaga, molt estable, anomenada làmina plegada. Aquesta estructura també es pot formar entre dues o més cadenes polipeptídiques diferents. La -ceratina de la seda o fibroïna té conformació-.

hidroxiprolina

Hèlix de col·lagen

Superhèlix

Estructura secundària: hèlix de col·lagen.

Enllaç d’hidrogen

␤-làmina plegada O C

N

C

H C N C

H

C

Enllaç d’hidrogen C

C

C N

H

H

O

N

C N

C

H

O

O C

H

N

O

␣-hèlix

O

C

C

C C

N

O

H

O N H

H

O

C O

C

H

O C C

N C C

H

H

C

C

C

H

C C

N

C

O

O

H N

C

H

O

N

H

O

C N

C

O

N H

C N O

C

Estructura d’una proteïna en què es poden apreciar parts amb estructura -hèlix i parts amb conformació- que formen una làmina plegada.

Activitats 13 Identifica els components d’un aminoàcid i defineix l’estructura primària de les proteïnes. H H2NCCOOH R

14 En què s’assemblen i en què es diferencien l’estructura secundària en -hèlix i l’estructura secundària en conformació-?

66

unitat 4

3.3. L’estructura terciària L’estructura terciària és la disposició en l’espai que presenta l’estructura secundària quan es plega sobre si mateixa i origina una conformació globular. En aquesta, els radicals apolars se situen a l’interior i els polars, a l’exterior. Això facilita que moltes proteïnes globulars siguin solubles en aigua i en dissolucions salines. Aquesta qualitat possibilita que moltes duguin a terme funcions de transport, enzimàtiques, hormonals, etc. Les conformacions globulars es mantenen estables per l’existència d’enllaços entre els radicals R dels aminoàcids. Hi ha diversos tipus d’enllaços: un de fort de tipus covalent, anomenat pont disulfur; i uns altres de febles, com els enllaços d’hidrogen, les forces de Van der Waals, les interaccions iòniques i les interaccions hidròfobes.

Cys

O

S

H

S

O

Cys Pont disulfur entre dues cisteïnes

H3C

CH3

H3C

CH3

O 

NH3

CO Enllaç d’hidrogen

CH

CO

Interacció iònica o electrostàtica

CH Forces de Van der Waals

Interacció hidrofòbica

Enllaços forts i febles de l’estructura terciària de les proteïnes.

En una proteïna amb estructura terciària, la cadena polipeptídica als trams rectes generalment presenta una estructura secundària de tipus -hèlix o de conformació- (làmina plegada). En canvi, als colzes o «girs» no presenta cap estructura precisa.

Colze sense estructura -hèlix ni conformació- sectors en disposició 

sectors en -hèlix

Esquema «de cintes» de la triosafosfatisomerasa.

Esquema «de cintes» de la triosafosfatisomerasa. Les proteïnes

67

Dominis estructurals S’ha observat que hi ha combinacions de -hèlix i de conformació- que estan repetides en una mateixa proteïna i també en proteïnes diferents. Aquestes combinacions solen ser estables, compactes i d’aspecte globular, i reben el nom de dominis estructurals.

Esquema tridimensional de la mioglobina. El cercle vermell correspon a un grup hemo (l’hemoglobina és una heteroproteïna).

Colzes sense estructura

-hèlix

Des d’una perspectiva evolutiva, es considera que els dominis estructurals són «clixés estructurals» d’elevada eficàcia biològica i que, per això, han servit com a unitats modulars per constituir diversos tipus de proteïnes globulars. Els diferents dominis solen estar units per zones estretes o «colls», fet que possibilita un cert moviment relatiu. Per exemple, en els enzims, quan dos dominis se separen, es permet la introducció de la molècula de substrat i, quan s’apropen, la fixen per actuar sobre aquesta. Proteïnes filamentoses

Sectors amb estructura secundària en -hèlix

Les proteïnes que no arriben a formar estructures terciàries mantenen l’estructura secundària allargada, i donen lloc a les anomenades proteïnes filamentoses. Són proteïnes insolubles en aigua i dissolucions salines; per això són idònies per exercir funcions esquelètiques. Les més conegudes són el col·lagen dels ossos i del teixit conjuntiu, la -ceratina del pèl, les plomes, les ungles, les banyes, etc., la -ceratina o fibroïna del fil de seda i de les teranyines, i l’elastina del teixit conjuntiu, que forma una xarxa deformable per la tensió.

substrat lliure

cadena polipeptídica d’elastina coll

RELAXACIÓ

domini A

domini B

EXTENSIÓ

pont encreuat

substrat fix

Esquema de l’estructura de l’elastina, en estat relaxat i estès.

Esquema d’una proteïna simple amb dos dominis estructurals, oberta (1) i tancada (2) per fixar el substrat. 68

unitat 4

3.4. L’estructura quaternària

grups hemo

L’estructura quaternària és la que presenten les proteïnes constituïdes per dues o més cadenes polipeptídiques amb estructura terciària, idèntiques o no, unides per mitjà d’enllaços febles (no covalents). Cadascuna d’aquestes cadenes polipeptídiques rep el nom de protòmer. Segons el nombre de protòmers que s’associen, aquestes proteïnes s’anomenen dímers, com l’hexocinasa; tetràmers, com l’hemoglobina; pentàmers, com l’RNA-polimerasa; i polímers, quan presenten un gran nombre de protòmers. Són exemples de polímers la càpsida del virus de la poliomielitis, que consta de seixanta subunitats proteiques, els filaments d’actina i miosina de les cèl·lules musculars, etc.

Estructura quaternària de l’hemoglobina.

Interacció iònica COO H3N SS Interacció hidrofòbica H 3C  CH3 Pont disulfur

Estructura primària

Estructura secundària

Estructura terciària

Estructura quaternària constituïda per dues cadenes polipeptidíques. En els colzes hi ha una estructura irregular

Les quatre estructures de les proteïnes.

Activitats 15 Quins enllaços mantenen la forma de l’estructura secundària de les hèlixs estabilitzada? 16 Quins enllaços mantenen la forma de les estructures globulars? 17 Quins tipus d’enllaços possibiliten la unió de les diferents molècules que integren una estructura quaternària? 18 Tenint en compte que el pes molecular mitjà dels aminoàcids d’una proteïna és 120 i que està constituïda per 100 aminoàcids, quin és el pes molecular d’aquesta proteïna? 19 Per què la seda i el col·lagen suporten altes tensions sense estirar-se mentre que la llana sí que es pot estirar? Imatge d’estructura quaternària feta amb ordinador. Les proteïnes

69

4 Les propietats de les proteïnes Les propietats de les proteïnes depenen sobretot dels seus radicals R. Les principals són la solubilitat, la desnaturalització, l’especificitat i la capacitat amortidora.

4.1. La solubilitat La solubilitat de les proteïnes és deguda a una proporció més alta d’aminoàcids amb radicals polars (sobretot si tenen càrrega) que d’aminoàcids amb radicals apolars. Els radicals polars estableixen enllaços d’hidrogen amb les molècules d’aigua i, així, cada molècula queda recoberta d’una capa de molècules d’aigua que impedeix que es pugui unir a altres molècules proteiques, fet que en provocaria la precipitació. La solubilitat augmenta en dissolucions salines diluïdes, ja que els ions salins s’apropen als radicals polars i augmenten la seva polaritat, però disminueix en dissolucions salines concentrades, ja que els ions salins competeixen amb els radicals polars per les molècules d’aigua. Els canvis de pH influeixen en la solubilitat, perquè modifiquen el grau d’ionització dels radicals polars. Les proteïnes globulars tenen un elevat pes molecular, per la qual cosa, quan es dissolen, donen lloc a dispersions col·loïdals. La calor pot desnaturalitzar les proteïnes.

4.2. La desnaturalització

Proteïna en estat normal

desnaturalització

renaturalització

Proteïna desnaturalitzada

Desnaturalització i renaturalització d’una proteïna. 70

És la pèrdua de l’estructura terciària i, generalment, també de la secundària, per causa del trencament dels enllaços que les constitueixen. Aquesta destrucció pot ser produïda per canvis de pH, variacions de temperatura, alteracions en la concentració salina del medi o per simple agitació molecular. Quan una proteïna es desnaturalitza, generalment adopta una conformació filamentosa i precipita. Això passa perquè la capa de molècules d’aigua ja no recobreix totalment les molècules proteiques, aquestes tendeixen a unir-se i donen lloc a grans condensacions que precipiten. Les proteïnes desnaturalitzades ja no poden dur a terme funcions de tipus enzimàtic, transportador o hormonal. Com que la desnaturalització no afecta els enllaços peptídics, si es torna a les condicions normals algunes proteïnes poden recuperar la conformació inicial. Aquest fet s’anomena renaturalització. Són exemples de desnaturalització la llet tallada, a causa de la desnaturalització de la caseïna; la precipitació de l’ovoalbúmina de l’ou, a causa de la desnaturalització d’aquesta per efecte de la calor, i la «permanent» o fixació d’un pentinat per efecte de l’escalfor sobre les queratines dels cabells. unitat 4

4.3. L’especificitat Les proteïnes que han d’interactuar amb altres molècules presenten una estructura tridimensional i uns aminoàcids específics en llocs determinats, que els permeten diferenciar unes molècules d’unes altres de semblants. D’aquesta manera, poden efectuar un control fisiològic molt precís. Exemples d’aquests tipus són les que actuen com a reguladores de reaccions químiques (proteïnes enzimàtiques), les hormones peptídiques com la insulina, i els anticossos o immunoglobulines. Les que fan la mateixa funció en espècies diferents (proteïnes homòlogues) acostumen a presentar una estructura molt similar, però no sempre idèntica. Això és degut al fet que si només difereixen en aminoàcids que no alteren la seva funció, la selecció natural no actua contra els individus que les tenen. Això ha donat lloc, durant el procés evolutiu, a una gran variabilitat de molècules proteiques, és a dir, a proteïnes específiques d’una espècie i, fins i tot, d’un individu, amb els consegüents problemes de rebuig de trasplantaments. Les diferències entre proteïnes homòlogues són grans entre espècies allunyades evolutivament, i escasses entre espècies molt emparentades.

4.4. La capacitat amortidora Com que les proteïnes estan constituïdes per aminoàcids, també tenen un comportament amfòter, és a dir, poden comportar-se com un àcid i alliberar protons (H) o com una base i alliberar hidroxils (OH). Les proteïnes dissoltes tendeixen a neutralitzar les variacions de pH del medi (dissolucions tampó o amortidores).

cadena A

cadena B

DIFERÈNCIES ENTRE DIVERSES MOLÈCULES D’INSULINA

Aminoàcids Espècies A8

A9

A 10

B 30

Porc

Thr

Ser

Ile

Ala

Home

Thr

Ser

Ile

Thr

Cavall

Thr

Gly

Ile

Ala

Moltó

Ala

Gly

Val

Ala

Pollastre

His

Asn

Thr

Ala

Vaca

Ala

Ser

Val

Ala

Esquema d’una molècula d’insulina i taula amb les diferències entre les insulines de sis espècies animals. Les proteïnes

L’especificitat de les proteïnes distingeix més íntimament les espècies. 71

5 La classificació de les proteïnes Si la proteïna està constituïda exclusivament per aminoàcids, s’anomena holoproteïna. Quan, a més d’aminoàcids, presenta algun altre tipus de molècula, rep el nom d’heteroproteïna. Les holoproteïnes es divideixen en dos grups segons la seva estructura: proteïnes filamentoses i proteïnes globulars. Les heteroproteïnes es divideixen en cinc grups, segons el tipus de molècula associada: cromoproteïnes, glicoproteïnes, lipoproteïnes, nucleoproteïnes i fosfoproteïnes.

5.1. Les holoproteïnes Les proteïnes filamentoses Són insolubles en aigua i es troben principalment en els animals. Pertanyen a aquest grup els col·làgens, les -queratines, les elastines i les fibroïnes. Col·làgens

Es troben en teixits conjuntius, cartilaginosos, tegumentaris i ossis.

␣-queratines

Es troben en formacions epidèrmiques: cabells, ungles, llana, banyes, peülles, plomes, etc.

Elastines

Es troben en tendons i vasos sanguinis.

␤-queratines o fibroïnes

Es troben en els fils de seda.

Les proteïnes globulars Generalment, són solubles en aigua i en dissolucions salines. Pertanyen a aquest grup les protamines, les histones, las prolamines, les glutenines, les albúmines i les globulines.

Anticòs. Globulina (proteïna) del sistema immunitari capaç d’unir-se específicament amb un antigen determinat.

72

Protamines Molt bàsiques Pm  5.000

Solubles en aigua. Es troben associades al DNA en els espermatozoides de tots els animals.

Histones Bàsiques Pm  De 10.000 a 20.000

Solubles en aigua. Estan associades al DNA del nucli (tret de l’espermatozoide).

Prolamines Pm  40.000

Insolubles en aigua. Es troben en llavors vegetals, com la zeïna del blat de moro, la gliadina del blat i l’hordeïna de l’ordi.

Glutenines Pm  40.000

Insolubles en aigua, però solubles en àcids i bases diluïdes. En són exemples l’orizenina de l’arròs i la glutenina del blat.

Albúmines Pm  De 30.000 a 100.000

Solubles en aigua. Pertanyen a aquest grup la seroalbúmina de la sang, l’ovoalbúmina de l’ou, la lactoalbúmina de la llet i la globina que forma part de l’hemoglobina.

Globulines Pm  De 100.000 a 1.000.000

Solubles en dissolucions salines. En són exemples l’ovoglobulina de l’ou, la lactoglobulina de la llet i les seroglobulines de la sang; també la -globulina, que s’associa a l’hemoglobina, i les -globulines o immunoglobulines, que constitueixen els anticossos.*

unitat 4

5.2. Les heteroproteïnes Les heteroproteïnes són molècules formades per la unió d’un grup proteic amb un altre de no proteic, anomenat grup prostètic. Segons com sigui el grup prostètic, les heteroproteïnes es classifiquen en: cromoproteïnes, glicoproteïnes, lipoproteïnes, fosfoproteïnes i nucleoproteïnes. Hemoglobina Mioglobina Porfiríniques Catalasa Cromoproteïnes Citocroms Hemocianina No porfiríniques Hemeritrina Glicoproteïnes

Glicoproteïnes de membrana, hormona estimulant del fol·licle, hormona luteïnitzant, etc.

Lipoproteïnes

Quilomicrons, lipoproteïnes sanguínies.

Fosfoproteïnes

Caseïna, vitel·lina.

Nucleoproteïnes

Associacions DNA-histones.

Les cromoproteïnes Les cromoproteïnes tenen com a grup prostètic una substància amb color, per això també reben el nom de pigments. Segons la naturalesa del grup prostètic, es divideixen en: • Pigments porfirínics. Són els que tenen com a grup prostètic una porfirina, és a dir, un anell tetrapirròlic. Al centre d’aquest anell hi ha un catió metàl·lic. Si es tracta d’un catió ferrós (Fe2), la porfirina s’anomena grup hemo. Tenen el grup hemo l’hemoglobina, encarregada de transportar l’oxigen a la sang, i la mioglobina, que exerceix la mateixa funció en els músculs. En algunes molècules, com els citocroms, l’ió ferrós (Fe2) es pot oxidar a fèrric (Fe3) i aquest ió, al seu torn, es pot reduir. • Pigments no porfirínics. Són els pigments que tenen un grup prostètic diferent a la porfirina. Per exemple, l’hemocianina, pigment respiratori que conté coure i que es troba en crustacis i mol·luscs.

CH3

CH3

CH3

N N

CH2

CHCH2

Fe2

N

N

CH

CH2 COOH

CH3 CH2

CH3

CH2 COOH

Grup hemo.

Activitats 20 Durant molts anys els diabètics s’injectaven insulina que s’obtenia de la sang d’un animal. A partir de la taula que hi ha a la pàgina 71 dedueix de quina espècie es tracta. En l’actualitat, s’ha substituït per insulina humana sintetitzada per bacteris transgènics, als quals se’ls introdueix el gen humà de la insulina. Per què creus que és necessària aquesta manera d’obtenir insulina? 21 Explica per què les susbtàncies que tenen un caràcter bàsic poden alliberar ió hidroxil (OH) i també són capaces de captar protons (ions hidrogen H). 22 Els anomenats ponts o enllaços disulfur són molt sensibles a la temperatura, de manera que amb un petit augment de temperatura es trenquen i la proteïna es desnaturalitza. Esbrina quines de les proteïnes següents presenten molts enllaços disulfur i quina es pot renaturalitzar. • Caseïna

Les proteïnes

• Ovoalbúmina

• Queratina

L’hemoglobina es troba en els eritròcits o glòbuls vermells de la sang. 73

Les glicoproteïnes Les glicoproteïnes són les heteroproteïnes que tenen com a grup prostètic molècules de glúcids com la glucosa, la galactosa, etc. Per exemple, pertanyen a aquest grup: • L’hormona estimulant del fol·licle (FSH) i l’hormona estimulant de la tiroide (TSH). • Els proteoglicans, que es troben als líquids sinovials i que constitueixen tendons, ossos i cartílags. • Les glicoproteïnes sanguínies, per exemple, la protrombina. • Les immunoglobulines. • Les glicoproteïnes de les membranes cel·lulars. • Alguns enzims com les ribonucleases.

cadenes polipeptídiques ponts disulfur

Les glicoproteïnes solen presentar una conformació estable a la part proteica, mentre que la part glucídica presenta una gran variabilitat, deguda a canvis en la seqüència de monosacàrids que la componen. Els diversos grups sanguinis són deguts a la variabilitat que presenta la cadena glucídica de les glicoproteïnes de membrana dels eritròcits.

glúcids (oligosacàrids)

Esquema d’una immunoglobulina.

Les lipoproteïnes Són les heteroproteïnes que tenen àcids grassos com a grup prostètic. Es troben a l’estructura de les membranes citoplasmàtiques. Un grup especial el constitueixen les lipoproteïnes sanguínies, ja que són hidrosolubles i s’encarreguen de transportar lípids pel flux circulatori des del lloc on s’absorbeixen, l’intestí, fins als teixits de destinació. Les fosfoproteïnes Són les heteroproteïnes que tenen l’àcid fosfòric (H3PO4) com a grup prostètic. Pertanyen a aquest grup la caseïna, que es troba a la llet, i la vitel·lina, que es troba al rovell dels ous. Les nucleoproteïnes Són les heteroproteïnes que tenen un àcid nucleic com a grup prostètic. Són nucleoproteïnes les associacions d’histones o protamines amb molècules d’àcids desoxirribonucleics que formen les fibres de cromatina del nucli cel·lular.

Activitats 23 De què depèn l’activitat biològica i l’especificitat d’una proteïna? 24 Quins enllaços es trenquen quan se sotmet una molècula proteica a una temperatura elevada? Com s’anomena aquest procés? Quina repercussió té en la funcionalitat de la proteïna? 25 Quina és la causa que les molècules proteiques filamentoses siguin insolubles en aigua? 26 Desenvolupa la fórmula del pèptid Lys - Glu - Ala i indica les càrregues dels grups polars. 27 Per què són importants les proteïnes en els problemes de rebuig d’òrgans trasplantats?

74

28 Què és un grup prostètic? Enumera els que coneguis. 29 Raona a quin grup d’heteroproteïnes pertanyen les immunoglobulines. 30 Relaciona els termes de la primera columna amb els de la segona. Alanina • Vitel·lina • Histona • Hemoglobina •

• Aminoàcid amb un radical cíclic • Proteïna filamentosa • Cromoproteïna • Fosfoproteïna

Tirosina •

• Proteïna globular

Queratina •

• Aminoàcid alifàtic

unitat 4

6 Les funcions de les proteïnes Les proteïnes són molècules amb una extraordinària diversitat de funcions.

6.1. Funció estructural A nivell cel·lular, es poden esmentar, per exemple, les glicoproteïnes de les membranes plasmàtiques, les proteïnes que constitueixen els cilis i flagels, i les histones que serveixen de suport al DNA. A nivell histològic, es poden esmentar les queratines de les formacions dèrmiques, l’elastina dels teixits reticulars i el col·lagen dels teixits cartilaginós, conjuntiu i ossi.

6.2. Funció de reserva Exerceixen aquesta funció, per exemple, l’ovoalbúmina de la clara d’ou, la caseïna de la llet, la zeïna del blat de moro i la gliadina de la llavor del blat.

6.3. Funció de transport A nivell cel·lular, es poden esmentar les permeases, que regulen el pas de molècules a través de la membrana cel·lular. A nivell pluricel·lular, es poden esmentar els pigments respiratoris (hemoglobina, hemeritrina, hemocianina, etc.), que fan el transport d’oxigen per la sang; la seroalbúmina, que transporta un gran nombre de substàncies per la sang; la transferrina, que transporta ferro, i les lipoproteïnes, que permeten el transport de lípids per la sang.

Els cilis i els flagels estan constituïts per filaments i microtúbuls de proteïnes.

Substància que s’ha d’introduir A

Medi extracel·lular

Bicapa lipídica

A

A

Proteïna transportadora

A

A

Citoplasma

Molècules transportadores de la membrana cel·lular.

6.4. Funció enzimàtica Els enzims són les proteïnes que tenen acció biocatalitzadora, és a dir, que afavoreixen les reaccions bioquímiques. Possiblement, aquesta és la funció més important de les proteïnes. Hi ha un gran nombre d’enzims, aproximadament un miler. Per exemple, es poden esmentar la maltasa, la lipasa, la tripsina, la ribonucleasa i la catalasa. Les proteïnes

El col·lagen és una proteïna que compleix una missió estructural al teixit ossi. 75

6.5. Funció hormonal Les hormones són substàncies generalment transportades pel medi intern de l’organisme (la sang, en els animals, i la saba, en els vegetals), que actuen sobre determinades cèl·lules, les quals estimulen perquè iniciïn determinades reaccions. Es poden esmentar, per exemple, la insulina del pàncrees, la tiroxina de la tiroide i l’hormona del creixement de la hipòfisi.

6.6. Funció de defensa

Antigen. Substància que provoca la formació d’anticossos.

Bàsicament, aquesta funció la duen a terme les γ-globulines o immunoglobulines, que constitueixen els anticossos (defenses). Tenen la funció d’associar-se a les substàncies estranyes que penetren a l’organisme (antígens*) i neutralitzar-les. També cal esmentar molts antibiòtics, que també són pèptids, que, secretats per bacteris i fongs, eviten la competència d’altres microorganismes.

6.7. Funció contràctil A nivell cel·lular, es pot esmentar la flagel·lina del flagel bacterià, que permet la mobilitat cel·lular. A nivell histològic, cal esmentar l’actina i la miosina, que es poden moure entre si i produeixen la contracció i la relaxació de les fibres musculars. a

b

a) L’actina i la miosina permeten la contracció a les fibres musculars. b) L’agregació d’unitats de flagel·lina forma el flagel bacterià.

6.8. Funció homeostàtica Algunes proteïnes sanguínies participen en la regulació del pH gràcies a la capacitat amortidora que tenen. També cal esmentar la trombina i el fibrinogen, que participen en la coagulació de la sang quan es produeix una ferida. Activitats 31 Amb quina funció associaries la proteïna que forma part del flagel bacterià?

35 Indica si els enunciats que hi ha a continuació són certs o falsos:

32 Per què l’hemoglobina té una importància vital per a la respiració dels organismes que la presenten?

a) A la cromatina humana no hi ha proteïnes.

33 Què significa biocatalitzador?

c) La penicil·lina té funció de reserva.

34 Per què una alteració hormonal pot comportar greus conseqüències per a l’organisme?

d) L’especialització és una de les característiques dels enzims.

76

b) La tripsina és una hormona important.

e) Les lipoproteïnes transporten ferro.

unitat 4

A FONS Les proteïnes en l’alimentació humana Els vuit aminoàcids essencials dels humans, aquells que les cèl·lules del nostre fetge no poden sintetitzar a partir d’altres molècules i que, per tant, han de ser presents en els aliments, són: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptòfan i valina. Últimament s’ha apuntat que la histidina també podria ser un aminoàcid essencial i que l’arginina ho és per als lactants. El valor biològic d’una proteïna depèn del fet que contingui una quantitat suficient de tots els aminoàcids essencials. Les proteïnes de l’ou de gallina i de la llet materna presenten tots els aminoàcids essencials i en la proporció adequada, per la qual cosa es prenen com a referent i se’ls dóna un valor biològic del 100 %. Així, per exemple, es diu que les proteïnes de les mongetes només tenen un valor biològic del 40 % perquè, en comparació amb les proteïnes anteriors, només tenen el 40 % de l’aminoàcid essencial metionina necessari. Una dieta en la qual hi ha prou carn aporta tots els aminoàcids necessaris. En canvi, una dieta vegetariana requereix una atenció especial, ja que encara que els llegums (mongetes, llenties, cigrons i faves) contenen tantes proteïnes com la carn, i els grans de soja moltes més que la carn, les seves proteïnes no contenen tots els aminoàcids essencials o en la proporció adequada. Per exemple, les mongetes i la soja tenen poca metionina; les proteïnes del blat i de l’arròs sí que tenen prou metionina, però no tenen prou lisina, etc. Per tot això es recomana que en la dieta hi hagi tant proteïnes d’origen animal com d’origen vegetal.

Les necessitats proteiques canvien al llarg de la vida.

1. El cos humà presenta en pes sec un 51 % de proteïnes, un 34 % de lípids, un 14 % de matèria inorgànica (sals dels ossos i dissoltes) i només un 1 % de glúcids. En canvi, una alimentació equilibrada ha de contenir un 55 % de glúcids, un 30 % de lípids, un 14 % de proteïnes i un 1 % de sals. A què és deguda aquesta diferència? 2. Les necessitats proteiques van canviant al llarg de la vida. Aproximadament són les següents (expressades en grams de proteïnes que cal ingerir cada dia per quilogram de pes): de 0 a 6 anys, uns 2,5 g; de 7 a 12 anys, uns 2 g; de 13 a 18 anys, uns 1,5 g; a partir dels 18 anys, només 1 g; en la dona embarassada, 1,5 g, i en la dona que dóna de mamar, uns 2 g. A què poden ser degudes aquestes diferències? 3. La proporció de proteïnes d’origen animal que es recomana varia al llarg de la vida d’aquesta manera: de 0 a 2 anys, un 75 %; de 3 a 5 anys, un 67 %; de 6 a 18 anys, un 60 %, i d’adult i ancià, un 50 %. Quina pot ser la causa d’aquestes diferències? Per què en molts països on hi ha poca carn s’acostuma a fer arròs amb mongetes, arròs amb llenties, o bé pèsols amb blat de moro? Què vol dir aminoàcid no essencial?

Les proteïnes

Els aliments d’origen animal i els llegums aporten les proteïnes necessàries.

77

Activitats 36 Observa l’estructura dels aminoàcids i contesta les preguntes següents:

46 Observa la molècula següent, digue’n el nom i indica quin tipus d’enllaç la caracteritza i on es troba. H

a) Quina és la càrrega elèctrica de la fenilalanina en un medi bàsic? b) Quina és la càrrega elèctrica de l’àcid glutàmic a pH  7? c) Quina és la càrrega elèctrica de la treonina en un medi àcid? d) El punt isoelèctric de la lisina és àcid o bàsic?

NH HCCH2 OC

37 Hi ha algun aminoàcid que tingui un altre carboni asimètric a part del carboni ? Quins són?

NH HCCH2OH

38 Quants dipèptids es poden fer amb dos aminoàcids de diferent tipus? I amb dos del mateix tipus?

OC NH

39 Quins tripèptids diferents es poden formar amb els aminoàcids alanina (Ala), serina (Ser) i glicina (Gly) sense que hi hagi cap repetició?

HCCH2CH2C OC NH

O O NH2

40 Quins tripèptids diferents es poden formar amb els aminoàcids alanina (Ala), serina (Ser) i glicina (Gly) amb possibilitat de repetició?

HCCH2CH2CH2NHCH2

41 Dibuixa un enllaç peptídic entre dos aminoàcids qualssevol.

OC

42 Quin tipus d’enllaç es deu establir entre els radicals dels aminoàcids següents en la constitució de l’estructura terciària d’una proteïna? a) Entre dues cisteïnes. b) Entre una glutamina i una tirosina. c) Entre una lisina i un àcid glutàmic. d) Entre una treonina i un àcid aspàrtic. e) Entre una leucina i una alanina. f) Entre dues fenilalanines.

44 Si es fa una electroforesi de l’oligopèptid anterior, cap a quin elèctrode migrarà en cada cas? 45 L’aspartama és una molècula artificial obtinguda a partir de la unió de dos aminoàcids: l’àcid aspàrtic i la fenilalanina. Té un poder edulcorant 200 vegades superior a la sacarosa, per la qual cosa n’hi ha prou amb molt poca quantitat. Això té l’avantatge que aporta deu vegades menys calories que la sacarosa i, per tant, resulta molt adequada per a les persones que tenen obesitat. Dibuixa totes les estructures possibles de l’aspartama, indica en el dibuix el nom de l’enllaç i el nom dels dipèptids formats.

NH2CH CH2

COOH NH2CH CH2

COOH

78

47 Quan es dispersa una clara d’ou en aigua, apareixen alguns coàguls de color blanc que desapareixen en part si s’hi afegeix una mica de sal. En canvi, si s’hi afegeix molta sal, la situació no millora. A què és degut aquest comportament de la proteïna ovoalbúmina?

49 Quantes cadenes són necessàries per formar una estructura quaternària? 50 De què depèn que una proteïna globular sigui soluble o no? 51 Quines dades calen per saber si dues cadenes polipeptídiques són la mateixa proteïna o no? 52 Relaciona les funcions amb els noms de proteïnes. Estructural dels teixits conjuntius; enzimàtica; reserva energètica de la llet; estructural en el teixit ossi; estructural en el teixit epidèrmic; transport d’oxigen; reserva energètica a la sang; hormonal; contracció muscular; defensa davant de microbis infectants. Tripsina, elastina, tiroxina, actina, ceratina, immunoglobulina, hemocianina, caseïna, seroalbúmina, col·lagen. 53 Què són els aminoàcids essencials? Les plantes poden tenir problemes per créixer, per manca d’aminoàcids essencials? Quants en tenen, els éssers humans? 54 Quin pes molecular té un polipèptid format per tres restes d’alanina, quatre restes de lisina i cinc de valina? Una resta d’aminoàcid és el que en queda una vegada s’ha unit a altres aminoàcids per constituir una cadena polipeptídica.

www COOH

Àcid aspàrtic

OH

48 Quan a la llet s’hi afegeix una substància àcida com ara àcid clorhídric, s’hi formen grumolls. Explica de quina substància es tracta, i per què ha precipitat.

43 Quina deurà ser la càrrega global en medi molt àcid, en medi neutre (pH  7) i en medi molt bàsic de l’oligopèptid: Val-Leu-His-Lys-Tyr-Glu?

COOH

NH2

Fenilalanina

55 Fes els exercicis de la web de Wiley Haiger Education. http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/ animations/translation/translation.htm.

unitat 4

Interpretació de dades

Separació d’aminoàcids per cromatografia

Separació de proteïnes per electroforesi

La cromatografia és una tècnica de separació de substàncies segons la velocitat de migració que tenen. Un dels tipus més coneguts és la cromatografia en paper. Consisteix a penjar una tira de paper Whatman, de manera que mulli el líquid que s’utilitzarà per separar les diferents substàncies, en un recipient tancat per evitar que s’evapori. A uns quatre centímetres per sobre de la superfície del líquid, es fa una ratlla amb un llapis on es posen 5 gotes de la mescla problema, tenint cura que no es toquin, per a la qual cosa va bé utilitzar una pipeta Pasteur per posar cada gota i un assecador de mà per assecar-la abans de posar-hi la següent. Per separar aminoàcids, es pot utilitzar una dissolució a parts iguals d’àcid acètic, n-butanol i aigua destil·lada. Cal esperar de 9 a 18 hores, retirar la tira de paper, marcar amb un llapis el front del líquid i deixar-la assecar. Per revelar on són els aminoàcids, s’ha de submergir la tira de paper en una dissolució a l’1 % de ninhidrina en etanol (p/v), que és una substància que tenyeix de color blau els aminoàcids. Es pot deduir a quin aminoàcid correspon cada taca segons el coeficient de migració. desplaçament de l’aminoàcid Cm  –––––––––––––––––––––––––––––––––––– desplaçament del front del dissolvent

L’electroforesi és un mètode molt utilitzat per separar una mescla de molècules que es troben juntes en els organismes, a partir de la seva càrrega elèctrica i el pes molecular. S’utilitza molt per separar mescles d’aminoàcids, de proteïnes i també de fragments de DNA. Consisteix a fer passar la mescla per una estructura tridimensional, que dificulta l’avanç de les molècules, les quals es mouen perquè tenen càrrega elèctrica i estan disposades en un camp elèctric. Les molècules que avancen a més velocitat són les de menor pes molecular i major càrrega, i les més lentes són les de major pes molecular i menor càrrega. Les que tenen càrrega negativa, les aniòniques, es mouen cap a l’elèctrode positiu o ànode, i les que tenen càrrega positiva, les catiòniques, es mouen cap a l’elèctrode negatiu o càtode. Com a medi tridimensional, abans s’utilitzava paper de cromatografia. Després, es va utilitzar gel de midó i, actualment, s’utilitza gel de poliacrilamida. Les dissolucions han de ser dissolucions tampó, ja que, a mesura que passa el temps i a causa de l’electròlisi que es produeix, el sistema tendeix a canviar de pH, i això pot alterar el procés. Línia de partida ϒ

β

α2

α1

Alb

sentit de la migració Albúmina ϒ

β

α2

α1

Els coeficients de migració dels aminoàcids que constitueixen la proteïna ovoalbúmina, ordenats de menor a major pes molecular, són: Aminoàcid GLY ALA SER VAL THR PRO ILE LEU ASP LYS GLU MET PHE ARG TYR

PM 75 89 5 7 9 1 1 1 3 14 7 9 5 5 1

Cm 0,26 0,38 0,27 0,6 0,35 0,43 0,72 0,73 0,24 0,14 0,3 0,55 0,68 0,2 0,45

56 A partir d’aquestes dades, intenta deduir de què depèn la velocitat de migració dels aminoàcids amb aquest dissolvent i aporta les dades que justifiquin la proposta.

Les proteïnes

57 En una electroforesi de proteïnes del sèrum sanguini s’ha obtingut el resultat següent que, una vegada llegit per un aparell de lectura de densitat òptica, ha donat les proporcions següents de concentració relativa de proteïnes: Proteïnes

Percentatge %

PM

Seroalbúmina

66

65.000

1-globulines

2

–

2-globulines

8

–

-globulines

10

90.000

-globulines

14

156.000

• Quina càrrega tenen totes aquestes proteïnes i cap a quin elèctrode han migrat? • Suposant que totes tinguin una càrrega proporcional al seu pes molecular, què es pot dir del pes molecular de les α-globulines? • Per què es considera que hi ha dues α-globulines i no només una? • Per què l’electroforesi és una tècnica molt utilitzada en anàlisis clíniques?

79

Laboratori Les propietats químiques de les proteïnes Material: deu tubs d’assaig, dos vasos de precipitats de 250 cm3, trípode, reixeta amb aïllant tèrmic, focus de calor, retolador per a vidre i dues pipetes. Productes químics: aigua destil·lada, àcid clorhídric al 20 %, àcid nítric al 20 %, hidròxid sòdic al 20 %, dissolució saturada de clorur sòdic, sulfat de coure a l’1 % i hidròxid amònic (NH4OH) concentrat. Productes naturals: llet, dissolució de clara d’ou (una clara en 500 ml d’aigua amb sal prèviament filtrada), dispersió d’albúmina (2 g en 100 ml d’aigua), dissolució de l’aminoàcid glicina (5 g en 100 ml d’aigua) i dissolució de l’aminoàcid tirosina (5 g en 100 ml d’aigua).

La desnaturalització de les proteïnes Aquesta pràctica es basa en la destrucció dels enllaços que mantenen estable la conformació globular de les proteïnes, de manera que aquestes adquireixen una estructura filamentosa, per la qual cosa deixen de ser solubles i precipiten en forma de coàguls. La desnaturalització es pot aconseguir sotmetent una dissolució de proteïnes a canvis de pH, a alteracions de la concentració salina del medi, a l’addició de líquids apolars solubles en aigua, com l’acetona o l’alcohol etílic, a un augment de temperatura o a una forta agitació mecànica.

La prova de Biuret:  C  NH  NH  C  NH 

2. Afegeix 2 ml d’àcid clorhídric al 20 % als tubs número 1; 2 ml de solució d’hidròxid sòdic al 20 % als número 2; 2 ml de dissolució saturada de clorur de sodi als número 3; 5 ml d’acetona molt freda als números 4, i escalfa moderadament els números 5, sense afegir-hi res.

.

Cu2 . . .

.

H2O

 HN  C  NH  HN  C 

Complex de color violeta

Desenvolupament de la pràctica 1. Fes una sèrie de cinc tubs amb 2 ml d’una dispersió de clara d’ou en 500 ml d’aigua, amb una mica de sal per afavorir-ne la dispersió, i numera els tubs. Fes una sèrie idèntica amb llet, amb una dispersió d’albúmina seca al 2 %, amb una dissolució de l’aminoàcid glicina (glicocola) i una altra només amb aigua (aquesta servirà de control respecte al comportament de l’aigua sola en l’experiment).

H2O . . .

La prova xantoproteica:

R

H  2 (HNO3) → R

 NO2  NO 3  H3O

Compost de color groc

La prova xantoproteica

3. Agafa un plat, posa-hi una clara d’ou i, amb l’ajuda d’una forquilla, bat-la fins a l’anomenat «punt de neu», en què la clara es converteix en una escuma sòlida. Fes la mateixa operació amb la dispersió d’albúmina, la llet, la glicina i l’aigua.

La prova xantoproteica (del grec xanto, que significa ’groc’) es basa en la propietat que tenen les cadenes hidrocarbonades cícliques de formar, amb l’àcid nítric, un compost nitrat de color groc canari. Aquest compost pot ser reduït per compostos bàsics com l’hidròxid amònic i donar un compost de color marró ataronjat característic. Exemples d’aquests radicals són l’anell fenil de la fenilalanina, l’anell fenol de la tirosina i l’anell indol del triptòfan.

4. Anota els resultats per a cada sèrie de tubs i escriu les teves conclusions sobre el que ha passat.

Desenvolupament de la pràctica

La prova de Biuret

1. Prepara dos tubs d’assaig i aboca en cadascun 2 ml de les dissolucions proteiques.

La prova de Biuret es basa en una reacció típica dels enllaços peptídics, en la qual els àtoms de coure del reactiu s’uneixen a dos o més enllaços peptídics i es forma un complex de color violeta característic. Els dipèptids no donen coloració violeta perquè només tenen un enllaç peptídic. La urea (NH2CONH2) també dóna Biuret positiu, per la qual cosa aquesta prova no serveix per detectar proteïnes a l’orina.

2. Afegeix 2 ml d’àcid nítric al 20 % concentrat a cada tub, escalfa tots els tubs al bany maria en un vas de precipitats i anota’n els resultats. 3. Deixa refredar els tubs i afegeix a cadascun hidròxid amònic (NH4OH) concentrat, és a dir, amoníac, anota els resultats que n’obtinguis i treu-ne conclusions.

Desenvolupament de la pràctica 1. Prepara cinc tubs d’assaig i col·loca en cadascun 2 ml de les mateixes dissolucions utilitzades en l’experiència sobre la desnaturalització. 2. Afegeix a cada tub 2 ml de dissolució d’hidròxid sòdic al 20 %. Remena-ho i deixa-hi caure quatre o cinc gotes d’una solució de sulfat de coure a l’1 %.

Practica 58 Redacta un informe amb les conclusions que has extret de cada experiència.

3. Anota’n els resultats i escriu les conclusions que en treguis.

80

unitat 4

Els àcids nucleics

5

CONTINGUTS

1 La composició química dels àcids nucleics 2 L’àcid desoxiribonucleic 3 L’àcid ribonucleic

L’acid desoxiribonucleic (DNA) és una molècula constituïda per dues cadenes enrotllades l’una sobre l’altra que formen una doble hèlix. Es mantenen unides gràcies als enllaços d’hidrogen que s’estableixen entre si. Aquesta estructura resulta molt adequada per a una molècula que ha d’emmagatzemar la informació biològica i que, cada vegada que es reprodueix l’organisme, ha de duplicar-se per proporcionar una còpia idèntica als descendents. • Consideres que el DNA ha de ser una molècula molt estable o que això pot ser un inconvenient? Justifica la resposta. Estructura del DNA vista des de l’interior.

1 La composició química dels àcids

nucleics 1.1. La composició química dels àcids nucleics El nom d’àcids nucleics prové del fet que són substàncies de caràcter àcid i que es van descobrir a l’interior del nucli de les cèl·lules eucariotes. Es van distingir de les altres substàncies del nucli perquè són molt riques en fòsfor, concretament són riques en àcid fosfòric (H3PO4). Posteriorment es va descobrir que contenien quatre tipus de molècules de caràcter bàsic i riques en nitrogen, anomenades, per això, bases nitrogenades. Aquestes reben el nom d’adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) i uracil (U). L’ adenina i la guanina s’assemblen a una molècula anomenada purina, per això reben el nom de bases púriques. La citosina, la timina i l’uracil s’assemblen a una molècula anomenada pirimidina, per la qual cosa reben el nom de bases pirimidíniques.

Estructura del DNA representada mitjançant un programa d’ordinador.

També contenen una pentosa, que pot ser la ribosa o la 2-desoxiribosa, però mai les dues alhora. El nom ribosa procedeix de les inicials del laboratori on es va identificar (Rockefeller Institute of Biochemistry) i de la terminació -osa pròpia dels glúcids. El nom 2-desoxiribosa fa referència al fet que és una ribosa a la qual li falta un grup hidroxil (-OH) en el segon carboni. Segons la pentosa que contenen, es distingeixen dos tipus d’àcids nucleics: l’àcid ribonucleic (RNA) i l’àcid desoxiribonucleic (DNA). Una altra diferència entre ambdós és que l’RNA mai no presenta timina sinó que, en el seu lloc, hi ha la base pirimidínica uracil. Els àcids nucleics es poden escindir en unes unitats constituïdes, cadascuna d’elles, per un àcid fosfòric (H3PO4), una ribosa o una desoxiribosa i una base nitrogenada. Cadascuna d’aquestes unitats s’anomena nucleòtid. Si a un nucleòtid li manca el seu grup fosfat rep el nom de nucleòsid. Per tant, de la mateixa manera que les proteïnes són polímers d’aminoàcids, els àcids nucleics es defineixen com polímers de nucleòtids. PENTOSES I BASES NITROGENADES O

HOCH2

Pentoses

OH

H

H

H

H

Bases nitrogenades púriques

Ribosa (RNA)

H

O C

C

N CH

HC

C

N H Adenina (DNA i RNA)

82

N H Uracil (RNA)

HN

C

H2N − C

C

N CH

N H Guanina (DNA i RNA) N

NH2

C HN

Desoxiribosa (DNA)

H

NH2

O

Pentoses i bases nitrogenades de DNA i RNA.

H

C N

O=C

H

OH

N

Bases nitrogenades pirimidíniques

OH

H

OH

OH

O

HOCH2

O

C

C CH

HN

CH N H Citosina (DNA i RNA)

O=C

CH

N

CH

O=C

CH − CH3 CH N H Timina (DNA)

unitat 5

1.2. Els nucleòsids

Citosina

NUCLEÒSID

4

N3

Els nucleòsids es formen per mitjà de la unió d’una ribosa o d’una desoxiribosa amb una base nitrogenada, mitjançant un enllaç N-glicosídic entre el carboni 1’ de la pentosa i el nitrogen 1’ de la base nitrogenada, si aquesta és pirimidínica, o el nitrogen 9, si és una base púrica.

2

O 5’

Els nucleòsids s’anomenen afegint la terminació -osina al nom de la base púrica, o la terminació -idina per al cas de les bases pirimidíniques. Per això els noms dels nucleòsids amb ribosa són adenosina, guanosina, citidina i uridina.

4’

N OH

H

1’

H

3’

H

6

N

O

HOCH2

5

1

2’

H

H OH Desoxiribosa

Si la pentosa és la desoxiribosa, s’hi anteposa el prefix desoxi-. Així els noms d’aquests nucleòsids són desoxiadenosina, desoxiguanosina, desoxicitidina i desoxitimidina.

1.3. Els nucleòtids

H2O

N

Els nucleòtids es formen per la unió d’un nucleòsid i un àcid fosfòric, per mitjà d’un enllaç entre el grup hidroxil del cinquè carboni de la pentosa i l’àcid fosfòric. Aquest enllaç rep el nom d’enllaç fosfoèster.

HOCH2

Els nucleòtids tenen un fort caràcter àcid a causa del seu grup fosfat, que s’ionitza. Els nucleòtids s’anomenen afegint al nom del nucleòsid el terme 5’-monofosfat. A la pràctica se sol emprar simplement la inicial de cada base nitrogenada (A, G, C, T i U) per referir-se a cada tipus de nucleòtid. A la taula següent podem veure els noms de tots els nucleòtids. Noms de les bases

Noms dels nucleòsids d’RNA

Noms dels nucleòtids d’RNA

Adenina

Adenosina

adenosina-5’-monofosfat (AMP)

Guanina

Guanosina

guanosina-5’-monofosfat (GMP)

O O

N

H

H

OH

H

H

H

Desoxicitidina

NH2

NUCLEÒTID

N

Citosina

Citidina

citidina-5’-monofosfat (CMP)

Uracil

Uridina

uridina-5’-monofosfat (UMP)

HO

P =O

N

OH

O

HOCH2

Àcid fosfòric

H

Noms dels nucleòsids de DNA

Noms dels nucleòtids de DNA

Adenina

Desoxiadenosina

desoxiadenosina-5’-monofosfat (dAMP)

Guanina

Desoxiguanosina

desoxiguanosina-5’-monofosfat (dGMP)

Citosina

Desoxicitidina

desoxicitidina-5’-monofosfat (dCMP)

Timina

Desoxitimidina

desoxitimidina-5’-monofosfat (dTMP)

N Adenina

H

H

Noms de les bases

N

OH

H H OH Adenosina (Nucleòsid)

H 2O NH2 OH

Activitats

2 Classifica les bases nitrogenades segons que siguin púriques o pirimidíniques: Uracil Citosina Adenina Timina Guanina Indica quines bases formen part del DNA i quines de l’RNA.

Els àcids nucleics

9

4

6 3

1N 2

N

O H

H

5

N

CH2

4’

7

8

O 5’

1 Quina diferència hi ha entre un nucleòsid i un nucleòtid?

N

P =O

HO

3’

OH

H 2’

1’

H

H

Adenosina-5'-monofosfat (AMP)

Reaccions de formació de nucleòsids i nucleòtids. En aquestes molècules els carbonis de les pentoses es numeren com a 1’, 2’, 3’, 4’ i 5’ per diferenciar-los dels carbonis de les bases nitrogenades. 83

1.4. Els àcids nucleics Els àcids nucleics són polímers de nucleòtids. Presenten dos extrems, l’extrem 5’, on hi ha un grup fosfat unit al carboni 5’ del primer nucleòtid, i l’extrem 3’, on hi ha un radical hidroxil unit al carboni 3’ de l’últim nucleòtid. Els àcids nucleics se sintetitzen des de l’extrem 5’ cap a l’extrem 3’. Això és degut al fet que no hi ha cap enzim que possibiliti afegir nucleòtids a l’extrem 5’ i, en canvi, sí que hi ha enzims que possibiliten afegir-ne a l’extrem 3’. L’ enllaç entre el radical hidroxil (OH) del carboni 3’ de l’últim nucleòtid i el radical fosfat del carboni 5’ del nucleòtid que s’hi afegeix rep el nom d’enllaç fosfodièster. NH2 OH

OH

N

N

P =O

HO

N

O 5’

NH2

HO

CH2

N

P =O

N

O

N

O

Extrem 5'

N

N

A

P

O

CH2

O H

H

3’

H

H H Adenosina-5’-fosfat

H

H

OH

OH

P =O

O

CH2

H

H

OH

P =O

N

O

HO

O

Enllaç fosfodièster 5’ → 3’

O

OH

H OH

Citidina-5’-fosfat

O

O

N O

CH2

H

H

H

3’

C

P

N

P =O

H H

OH

NH2

O

H2O

N

O

H

OH

OH

OH

CH2

H

Uridina-5’-fosfat

NH2

O

H

H

H

O

O

CH2

H

3’

U

P

N

O

N

O H

5’

N

P =O

HO

N

O

HO

O OH

OH

5’

OH

OH H 2O

O HO

H

H OH

OH

OH Extrem 3'

Fragment d’àcid nucleic

Formació d’un fragment de RNA constituït per tres nucleòtids units en la seqüència A-U-C (A  adenina, U  uracil, C  citosina).

Activitats 3 En la figura a hi ha la fórmula de la purina. A partir d’aquesta, dibuixa la fórmula de l’adenina que és la 6-aminopurina.

a

H C6 N1

N C5

7

C8 H H C2

C4 N3

N9 H

84

4 En la figura b hi ha la pentosa. A partir d’aquesta, dibuixa el nucleòsid d’adenina i indica’n el nom i el tipus d’enllaç que uneix la pentosa amb l’adenina anterior.

b OH  HCH  5'

O OH 

4'

5 En la figura c hi ha l’estructura de l’àcid fosfòric. A partir d’aquesta, dibuixa el nucleòtid d’adenina i indica’n el nom i el tipus d’enllaç que uneix aquest àcid amb la pentosa.

c

OH  HO  P  O  OH

 H

H 3'  OH

H 2'  H

 H

1'

unitat 5

2 L’ àcid desoxiribonucleic 2.1. Conceptes generals. Nivells estructurals i nivells d’empaquetament L’àcid desoxiribonucleic o DNA està format, excepte en alguns virus, per dues cadenes de nucleòtids enrotllades entre si formant una doble hèlix.

Extrem 5'

A

P O

Adenina

Cada cadena és un polímer de desoxinucleòtids d’adenina, guanina, citosina i timina, sintetitzada des de l’extrem 5’ cap a l’extrem 3’. El seu pes molecular és molt elevat; en el cas de l’home, és de 3,6  1012 daltons i conté 5,6  109 parells de nucleòtids (parell format per un nucleòtid d’una cadena unit a un nucleòtid de l’altra cadena). En les cèl·lules eucariotes, el DNA es troba principalment en el nucli, però també n’hi ha en els mitocondris i en els cloroplasts. El DNA nuclear està associat a proteïnes bàsiques denominades histones i a una petita quantitat d’un grup heterogeni de proteïnes, anomenades proteïnes no històniques. Aquesta associació es coneix amb el nom de fibra de cromatina. El DNA dels mitocondris i dels cloroplasts és similar al de les cèl·lules procariotes. Durant molt temps es va creure que el DNA dels procariotes no estava associat a proteïnes (DNA nu) però, en l’actualitat, s’ha constatat que està associat a proteïnes semblants a les histones, a RNA i a proteïnes no històniques, formant una condensació anomenada nucleoide, que, a diferència del nucli, no està delimitat per cap embolcall.

H

G

P O

Guanina

H

P

T

O

Timina

H

C

P O

Citosina

També en els virus s’han observat proteïnes bàsiques associades al DNA. Al DNA es distingeixen tres nivells estructurals: l’estructura primària o seqüència de nucleòtids, l’estructura secundària o doble hèlix i l’estructura terciària o DNA superenrotllat, que sorgeix de la torsió de la doble hèlix sobre si mateixa.

H Extrem 3'

Estructura primària del DNA.

A més, per aconseguir condensar el DNA dins del nucli, l’estructura terciària està molt empaquetada, i encara més quan es condensa per formar un cromosoma. Estructura del DNA.

2.2. L’estructura primària del DNA (seqüència de nucleòtids) L’estructura primària del DNA és la seqüència de nucleòtids d’una sola cadena o filament, que pot presentar-se com un simple filament estès o bé una mica doblegada en si mateixa. S’hi poden distingir un esquelet de fosfopolidesoxiriboses i una seqüència de bases nitrogenades. El nombre de filaments diferents de DNA que es pot formar combinant de forma diferent els quatre tipus de nucleòtids (A, C, G i T), fins i tot fixant-ne el nombre, és molt elevat. Per exemple, amb els 5,6  109 parells de nucleòtids del DNA humà, es podrien fer 45.600.000.000 DNA diferents. Aquest nombre tan elevat de combinacions diferents permet entendre que, de la mateixa manera que amb vint-i-sis lletres, preses unes vegades individualment i d’altres en grups de dos, tres, quatre, etcètera (paraules), i combinant-les convenientment, s’estructura la informació d’una llengua, a través de la seqüència de nucleòtids també és possible emmagatzemar una determinada informació, l’anomenat missatge biològic o informació genètica. Les anàlisis químiques han demostrat que el percentatge de guanina, citosina, adenina i timina és el mateix per a tots els individus d’una mateixa espècie. Aquest fet és degut al fet que les característiques són molt similars dins de l’espècie. Els àcids nucleics

85

2.3. L’estructura secundària del DNA (doble hèlix)

Complementàries. Les dues cadenes no són iguals sinó que, si en una, per exemple, hi ha timina, en l’altra, al mateix nivell, hi ha adenina. Per tant, la seqüència de cada cadena és diferent. Plectonímica. Per separar les dues cadenes de DNA cal girar-ne una respecte de l’altra.

• La densitat i la viscositat de les dispersions aquoses del DNA eren superiors a les esperades, és a dir, a les que s’havien calculat a partir de la seva composició química i del seu pes molecular. Es va deduir que les cadenes de DNA es devien agrupar entre elles a través de ponts d’hidrogen entre els grups NH2, CO i NH de les seves bases nitrogenades. • Tots els DNA tenien tantes molècules d’adenina (A) com de timina (T), i tantes de citosina (C) com de guanina (G). És a dir, que es complien les igualtats següents: nre. molècules d’adenina nre. molècules de timina nre. molècules de citosina

Activitats

10 En un àcid nucleic s’ha trobat el percentatge següent de bases nitrogenades: A (22 %), G (19 %), C (26 %) i O (33 %). Es tracta de DNA o d’RNA? És d’un sol filament o de doble filament? 11 Quantes molècules de DNA hi ha en una cèl·lula somàtica humana? I en un espermatozoide?

13 Què és la renaturalització del DNA? A quina temperatura aproximada té lloc?

86

La tècnica de difracció de rajos X La tècnica de difracció de rajos X es basa en la desviació que aquests sofreixen quan incideixen sobre els àtoms d’una molècula. Els rajos X sortints impressionen una placa fotogràfica, que dóna lloc a un dibuix de punts en el qual es pot mesurar la desviació experimentada pels rajos i deduir així les distàncies entre els àtoms de la molècula que s’estudia.

---------→

12 Què és la desnaturalització del DNA? A quina temperatura aproximada té lloc aquest fenomen?

Diàmetre de l’ADN (20 Å)

A FONS

---------→

9 Quina és la seqüència de DNA complementària de 5’ ... T A C C T C A C T ... 3’?

A partir de les tres dades anteriors, el 1953 J. Watson i F. Crick van elaborar el model de la doble hèlix. Segons aquest model el DNA està format per dues cadenes de polinucleòtids antiparal·leles*, complementàries* i enrotllades de forma plectonímica*, que formen una doble hèlix.

← -→

8 En un DNA bicatenari s’ha trobat que en el total de bases nitrogenades hi ha un 23 % d’adenina. Quins són els percentatges de les altres bases?

Això implicava que els ponts d’hidrogen s’establien entre les adenines (A) i les timines (T) i, d’altra banda, entre les citosines (C) i les guanines (G). Donades les característiques d’aquestes molècules, entre l’adenina (A) i la seva base complementària, la timina (T), s’estableixen dos ponts d’hidrogen, i entre la citosina (C) i la seva base complementària, la guanina (G), s’estableixen tres ponts d’hidrogen. Aquestes dades van ser aportades per Chargaff el 1950. • L’àcid desoxiribonucleic tenia una estructura fibrilar de 20 Å de diàmetre, en la qual es repetien determinades unitats cada 3,4 Å, i hi havia una altra repetició més gran cada 34 Å. Aquestes dades van ser aportades per Franklin i Wilkins entre els anys 1950 i 1953, estudiant el DNA per mitjà de la difracció de rajos X.

Longitud d’una volta d’hèlix (34,0 Å)

7 Dibuixa de la mateixa manera el filament complementari. Recorda que són antiparal·leles. Assenyala en el dibuix anterior si hi ha dos o tres enllaços entre les bases nitrogenades i de quin tipus són.

1

← -------→

6 Dibuixa el trinucleòtid dAMP-dTMP-dCMP i assenyala tots els enllaços de tipus èster que hi ha. Per facilitar el dibuix simbolitza les bases nitrogenades amb les lletres A, T i C.

nre. molècules de guanina

1

Distància entre un parell (3,4 Å)

Antiparal·leles. Les dues cadenes de DNA tenen els enllaços 5’ → 3’ orientats en diferent sentit.

L’ estructura secundària del DNA és la disposició en l’espai de dues cadenes o filaments de polinucleòtids en doble hèlix, amb les bases nitrogenades enfrontades i unides mitjançant enllaços d’hidrogen. Aquesta estructura es va deduir a partir de les dades experimentals següents:

unitat 5

Extrem 5'

Extrem 3'

H N

O

N

O

H H

P =O

N

O

H

H

N

H

H

A

N

N

N

O

O

O

H

P =O H H3C

O

H

O

H

P =O

N

N

N

T

H

O

O

CH2

O N N

H

H

A

N

H

H

H

N

H

H

O

CH2

H

O

O

2,90 Å

O

P =O

H Extrem 3'

O

H O

CH2

H

H

H

N

N

H

O

H

H

T

CH

N

O

H

O

O

H3C

O CH2

N

P =O

O

G N

2,90 Å

H

2

O

H O

H

N

N

H

H

N

H

C

H

O

CH2

H

H

N

O

H

P =O

H

O

O

Enllaços d’hidrogen

Extrem 5'

Disposició dels enllaços d’hidrogen entre bases complementàries en una doble cadena de DNA ionitzada.

En l’estructura secundària del DNA, com en les proteïnes, els grups hidròfobs (CH3 i CH) de les bases es disposen cap a l’interior de la molècula, i s’estableixen interaccions hidrofòbiques que col·laboren amb els ponts d’hidrogen a donar estabilitat a la macromolècula. Les pentoses i els grups fosfat queden a l’exterior i, a causa de la ionització d’aquests últims, els àcids nucleics tenen caràcter àcid i es defineixen com a polianions. La doble hèlix de DNA en estat natural és molt estable; però, si s’escalfa una dispersió de fibres de DNA, quan la temperatura arriba aproximadament a uns 100 °C, els dos filaments de la doble hèlix se separen, és a dir, es produeix la desnaturalització del DNA. Si posteriorment es manté el DNA desnaturalitzat a 65°C, els dos filaments tornen a unir-se. Aquesta restauració de la doble hèlix es diu renaturalització. Aquesta tècnica permet intentar la hibridació de cadenes de DNA de diferents orígens per saber el grau de parentiu entre els individus i també per facilitar-ne la replicació. Els àcids nucleics

carboni 5' carboni 3' carboni 5' carboni 3' sucre fosfat 34 Å

34 Å

bases

10 Å

Estructura secundària del DNA: la doble hèlix o fibra de DNA de 20 Å. 87

2.4. L’estructura terciària del DNA (DNA superenrotllat) Les molècules de DNA circular, com ara el DNA bacterià o el DNA mitocondrial, presenten una estructura terciària, que consisteix en el fet que la fibra de 20 Å es troba retorçada sobre si mateixa formant una espècie de superhèlix. Aquesta disposició s’anomena DNA superenrotllat. Els superenrotllaments de DNA proporcionen dos avantatges: aconsegueixen reduir la longitud del DNA i faciliten el procés de la duplicació del DNA. Això és degut al fet que el sentit de les voltes en la superhèlix del DNA superenrotllat és cap a la dreta, és a dir, és una molècula tensionada cap a la dreta, mentre que els enzims que desespiralitzen el DNA per iniciar-ne la duplicació originen voltes cap a l’esquerra. Per això, durant aquest procés de desespiralització es van anul·lant voltes en excés cap a la dreta, amb la qual cosa es provoca la relaxació de la molècula.

2.5. Els nivells d’empaquetament

Primer nivell d’empaquetament del DNA: collaret de perles (fibra de cromatina de 100 Å).

La condensació que s’aconsegueix amb els superenrotllaments, està molt lluny de ser suficient per encabir el DNA al nucli de la cèl·lula eucariota i molt menys per poder constituir els cromosomes. Per fer-ho, el DNA s’empaqueta sobre unes proteïnes anomenades histones, excepte en els espermatozoides, que ho fa sobre un altre tipus de proteïnes anomenades protamines. Els diferents nivells d’empaquetament són: • Primer nivell d’empaquetament, fibra de cromatina de 100 Å o collaret de perles. • Segon nivell d’empaquetament, fibra de cromatina de 300 Å o solenoide. • Tercer nivell d’empaquetament o dominis en forma de bucle. • Nivells superiors d’empaquetament. Primer nivell d’empaquetament

Nucleosoma (octàmer d’histones  200 pb de DNA de 20 Å)

DNA espaiador (27 pb)

100 Å

Partícula nuclear (octàmer d’histones  146 pb de DNA)

20 Å

Doble hèlix de DNA (fibra de 20 Å)

Collaret de perles (fibra de cromatina de 100 Å)

88

La fibra de cromatina de 100 Å o collaret de perles està constituïda per la fibra de DNA de 20 Å (doble hèlix) associada a histones, que són proteïnes bàsiques i de baix pes molecular. Aproximadament hi ha la mateixa quantitat en pes d’histones que de DNA. El collaret de perles es troba al nucli en repòs de totes les cèl·lules eucariotes, menys en els espermatozoides. Estructuralment, la fibra de cromatina de 100 Å està constituïda per una successió de partícules de 100 Å de diàmetre anomenades nucleosomes. Cada nucleosoma està format per un octàmer d’histones (vuit molècules de quatre tipus diferents d’histones) i per una fibra de DNA de 200 parells de bases de longitud, entre la part que s’enrotlla sobre l’octàmer i els dos extrems amb els quals s’uneix al nucleosoma anterior i al nucleosoma posterior. El DNA que hi ha entre un octàmer i un altre rep el nom de DNA espaiador. La fibra de cromatina de 100 Å formada així rep el nom de forma laxa. Quan cada nucleosoma s’associa a una molècula d’un cinquè tipus d’histona (l’anomenada H1), la fibra s’escurça i rep el nom de forma condensada. La fibra de cromatina de 100 Å també rep el nom de filament nucleosòmic o nucleofilament. unitat 5

Segon nivell d’empaquetament

→

La fibra de cromatina de 300 Å o solenoide és el segon nivell d’empaquetament. Es forma per l’enrotllament sobre si mateixa de la fibra condensada de cromatina de 100 Å, és a dir, la que conté la histona H1. Per fer-ho, les histones H1 s’agrupen entre si i formen l’eix central de la fibra de 300 Å. S’inverteixen uns sis nucleosomes per volta. Això provoca un escurçament de cinc vegades, aproximadament, la longitud del collaret de perles. En el nucli interfàsic, la major part de la cromatina (l’anomenada eucromatina) es troba en forma de fibres de 100 Å, en canvi, en els cromosomes el nivell més baix d’empaquetament és la fibra de 300 Å. Nucleosoma

300 Å

Solenoide (fibra de cromatina de 300 Å)

Solenoide (fibra de cromatina de 300 Å).

Tercer nivell d’empaquetament La fibra de 300 Å forma una sèrie de bucles, anomenats dominis estructurals en forma de bucle, d’entre 20.000 i 70.000 parells de bases de longitud, que queden estabilitzats per determinades proteïnes. Moltes vegades es troben enrotllats sobre si mateixos formant prominències d’uns 600 Å de diàmetre.

→

Bastida proteïca

Fibra de 300 Å

3.000 Å ( 300 nm)

Bucle

Dominis en bucle (fibra de cromatina de 3.000 Å).

Amb l’empaquetament que representa la fibra de 300 Å, tan sols s’aconsegueix reduir entre 35 i 40 vegades la longitud de la fibra de DNA de 20 Å. En canvi, el grau d’empaquetament al nucli és d’unes 100 a 1.000 vegades, i en els cromosomes és gairebé de 10.000. Per exemple, un cromosoma humà que mesura tan sols 5,5 μm de longitud, conté 4 cm de fibra de DNA, fet que significa una reducció d’unes 7.000 vegades. Encara no es coneixen bé quins són els nivells d’empaquetament següents. Molts autors consideren que en el cromosoma hi ha un eix de proteïnes no històniques, l’anomenada bastida proteica, sobre la qual s’ancoren els bucles. Els àcids nucleics

700 nm

---------------→

Nivells superiors d’empaquetament

→

Dominis en bucle

La bastida proteica permet augmentar el grau d’empaquetament

1.400 nm

El cromosoma en metafase és el grau màxim d’empaquetament de la fibra de cromatina. 89

2.6. Tipus de DNA segons l’estructura, la forma i l’empaquetament Les molècules de DNA es poden classificar segons l’estructura, segons la forma i segons la manera d’empaquetar-se. • Segons l’estructura, el DNA pot ser d’un sol filament o monocatenari, i de dos filaments o bicatenari. El DNA monocatenari és molt rar. S’ha trobat de forma lineal en els parvovirus i de forma circular en el virus X174. • El DNA bicatenari pot ser circular, com succeeix en els bacteris, en els mitocondris, els cloroplasts i alguns virus, com ara el SV40 i el virus del polioma. També pot ser lineal, com el DNA del nucli de les cèl·lules eucariotes i d’alguns virus, com ara el bacteriòfag T4 i el virus de l’herpes. A més a més, el DNA bicatenari pot presentar superenrotllament.

DNA monocatenari lineal (Parvovirus)

DNA monocatenari circular (virus X174)

DNA bicatenari circular superenrotllat (bacteris)

DNA bicatenari lineal (virus T2) Dímers concatenats (mitocondris i cloroplasts)

DNA bicatenari circular (virus SV40 i bacteris)

Tipus de DNA cel·lular.

• Segons els tipus de molècules que serveixen de suport per empaquetar el DNA i així reduir-ne la longitud, es distingeix el DNA del nucli eucariota, associat a histones o a protamines (en el cas exclusiu dels espermatozoides). En els procariotes, el DNA es troba associat a proteïnes semblants a les histones, a RNA i a proteïnes no històniques. En els virus, també s’han observat associacions amb proteïnes bàsiques pròpies o amb histones de la cèl·lula parasitada.

E. coli Bacteris

llevat Fongs

mongeta lliri Plantes Drosophila

Insectes Mol·luscs

tauró

Quant a la longitud, el DNA mesura 1,7 μm en el virus del polioma; 1,36 mm en el bacteri Escherichia coli; 11,2 cm en cada cèl·lula de Drosophila; 0,57 m en l’eriçó de mar; 0,93 m en el gall; 1,89 m en el gos, 2,36 m en l’home (sumant el DNA dels 46 cromosomes), etc. Curiosament, la longitud del DNA no sempre té relació amb la complexitat de l’organisme. Pel que sembla, moltes espècies tenen molt més DNA que l’estrictament necessari per codificar-ne l’estructura i la fisiologia. Això ha donat lloc a nombroses hipòtesis sobre les funcions d’aquest DNA, anomenat supernumerari.

Peixos cartilaginosos Peixos ossis

gripau tritó

Activitats

Amfibis Rèptils Ocells

14 Quina diferència hi ha entre els nivells estructurals i els nivells d’empaquetament del DNA?

ésser humà

Mamífers 105

106

107

108

109

1010

Nombre de parells de nucleòtids per dotació haploide en diversos grups d’éssers vius. 90

1011

15 Per què se suposa que hi ha més de tres nivells d’empaquetament si mai s’han observat? 16 Per què el DNA bacterià (senòfor) no constitueix un autèntic cromosoma?

unitat 5

3 L’àcid ribonucleic L’àcid ribonucleic o RNA està constituït per nucleòtids de ribosa, amb les bases adenina, guanina, citosina i uracil. No té, doncs, timina com el DNA. Aquests ribonucleòtids s’uneixen entre si mitjançant enllaços fosfodièster (dos enllaços estèrics seguits) en sentit 5’ → 3’, igual que en el DNA. A diferència d’aquest, l’RNA és gairebé sempre monocatenari, excepte en els reovirus, que és bicatenari. L’RNA es troba en molts tipus de virus i en les cèl·lules procariotes i eucariotes. En les eucariotes, hi ha de cinc a deu vegades més RNA que DNA. pseudouridina Els RNA es classifiquen en RNA bicatenari (en els reovirus) i dihidrouridina RNA monocatenari. Tenen RNA monocatenari l’RNA soluble inosina o de transferència (RNAs o RNAt), l’RNA missatger (RNAm), ribotimidina metilguanosina l’RNA ribosòmic (RNAr) i l’RNA nucleolar (RNAn). El fet que dimetilguanosina les cèl·lules que fabriquen grans quantitats de proteïnes siguin metilinosina riques en RNA va ser una de les pistes per descobrir la transmissió de la informació genètica. S’ha observat l’existència d’RNA amb funció biocatalitzadora; per això s’ha suggerit que, en l’origen de la vida, els RNA van ser les primeres molècules capaces d’autoduplicar-se i que, després, van delegar la funció de contenir la informació en el DNA, ja que la seva cadena és més estable, i la funció enzimàtica, en les proteïnes. Així, l’RNA hauria adquirit la funció de sintetitzar les proteïnes segons la informació continguda en el Braç D DNA, que és la funció actual. (enllaç enzim

3.1. L’RNA soluble o RNA de transferència

Triplet acceptor Braç acceptor

Braç T Enllaços d’hidrogen

Braç variable Braç anticodó

aminoacilsintetasa)

L’RNA soluble o de transferència (RNAt) té entre 70 i 90 nucleòtids, té un pes molecular aproximadament de 25.000, i es troba en el citoplasma en forma de molècula dispersa. Hi ha uns b cinquanta tipus d’RNAt. Té com a funció transportar aminoàcids específics fins als ribosomes, on, segons la seqüència espeNansa T cificada en un RNA missatger (transcrit, al seu torn, del DNA), se sintetitzen les proteïnes. L’RNAt és monocatenari. Presenta zones amb estructura seNansa D cundària en doble hèlix, a causa de la complementarietat entre les bases d’uns segments i les d’uns altres, i zones amb estructura primària o lineal, que formen nanses o bucles, la qual cosa confereix a la molècula una forma de fulla de trèvol. S’hi distingeix un braç anomenat braç D i la seva nansa, un braç T i la Nansa variable seva nansa, un braç anomenat braç anticodó i la seva nansa, i un braç acceptor d’aminoàcids. En realitat, és a dir, en tres dimensions, la molècula està molt més replegada i l’RNAt presenta una estructura terciària en forma de L. Braç anticodó Entre els nucleòtids que formen els RNAt, a més de A, G, C i U, n’hi ha d’altres que duen bases metilades, com la dihidrouridina (UH2), la ribotimidina (T), la inosina (I), que constiNansa anticodó tueixen el 10 % dels ribonucleòtids totals de l’RNAt. El braç D s’anomena així perquè conté dihidrouridina, el braç T conté ribotimidina, i el braç anticodó conté un triplet de nucleòtids, denominat anticodó, que és complementari d’un triplet de l’RNAm que rep el nom de codó. A l’extrem 5’ dels ARNt es localitza sempre un ribonucleòtid de guanina (G), i a l’extrem 3’, que és on s’enllaça l’aminoàcid, hi ha sempre el triplet CCA3’. Els àcids nucleics

Alanina

a

Anticodó Codó RNAm Braç T

Braç acceptor

Extrem acceptor 3'

Braç D

Anticodó

a) Esquema de l’RNAt de l’alanina. b) Estructura terciària en forma de L de l’RNAt de la fenilalanina. Les zones ombrejades corresponen a les nanses de l’estructura en fulla de trèvol. 91

a

3.2. L’RNA missatger

5’

L’RNA missatger (RNAm) és monocatenari, bàsicament lineal, i amb un pes molecular que oscil·la entre 200.000 i 1.000.000. Té la funció de copiar la informació continguda en el DNA i dur-la fins als ribosomes, perquè s’hi sintetitzin les proteïnes a partir dels aminoàcids que aporten els RNAt. Zones amb colzes i bucles deguts a la complementarietat de les bases

RNAm

Proteïna

L’RNAm té una estructura diferent en procariotes i en eucariotes. L’RNAm eucariòtic presenta algunes poques zones en doble hèlix, a causa de la complementarietat de les bases entre diferents segments, i zones lineals que donen lloc als anomenats llaços en ferradura. Es troba associat a proteïnes formant partícules ribonucleoproteiques. L’ RNAm eucariòtic es forma a partir del transcrit primari o preRNAm, també anomenat RNA heterogeni nuclear (RNAhn). Aquest té una sèrie de segments amb informació, denominats exons, alternats amb uns altres sense informació anomenats introns, que després són suprimits i no apareixen en l’RNAm. Aquest procés es denomina maduració i té lloc al nucli.

Poli-A 3’ b RNAhn ( preRNAm) EXÓ

m7 Gppp

INTRÓ

5’

RNAm m7 Gppp

L’RNAm eucariòtic té a l’extrem 5’ una guanosina trifosfat invertida i metilada en el nitrogen 7 (m7 Gppp-...). Aquesta molècula, que rep el nom de caputxa, bloqueja l’acció dels enzims exonucleases que poden destruir l’RNAm, i constitueix el senyal d’inici en la síntesi de proteïnes. A continuació, Cua de poli-A hi ha un segment sense informació, seguit d’un altre segment amb informació que sol començar amb la seEXÓ INTRÓ EXÓ OH qüència AUG. A l’extrem 3’ o extrem final, hi té de 3’ 150 a 200 nucleòtids d’adenina, el que s’anomena cua de poli-A. Es considera que serveix d’estabilitzador Empalmat enfront dels enzims exonucleases. Entre la síntesi i la degradació de l’RNAm no transcorren més d’uns quants minuts. L’RNAm eucariòtic és monocistrònic, és a dir, només conté informació per a una cadena polipeptídica. OH 3’

→

5’

a) Estructura d’una partícula ribonucleoproteica missatgera (RNAm). b) Maduració de l’RNAm.

→

→ Segment amb informació que no es traduirà

Segment amb informació per traduir

Segment amb informació que no es traduirà

L’RNAm procariòtic no adopta l’estructura de l’RNA eucariòtic, ni presenta exons ni introns, està mancat de caputxa (comença amb un nucleòtid trifosfat no invertit, per exemple: pppG-...) i de cua de poli-A, i a més, generalment, és policistrònic, és a dir, conté informacions separades per a diferents proteïnes.

3.3. L’RNA ribosòmic

L’RNA ribosòmic (RNAr) és l’RNA que constitueix els ribosomes. Representa el 60 % del pes d’aquests orgànuls. Units a les proteïnes ribosòmiques, originen en els ribosomes llocs adequats per donar allotjament a l’RNAm i també Ribosoma 70 S Ribosoma 80 S (cèl·lules procariotes) (cèl·lules eucariotes) als RNAt, que són els portadors dels aminoàcids que formen les proteïnes. L’RNAr presenta segments lineals i segments en doble hèSubunitat 65 S Subunitat 50 S Subunitat 30 S Subunitat 40 S → RNAr 28 S lix, a causa de la pre→ RNA 23 S → RNAr 16 S → RNAr 18 S → RNAr 5,8 S → RNA 5 S sència de parells de seg→ RNAr 5 S ments amb seqüències complementàries. Ribosomes de les cèl·lules procariotes i de les cèl·lules eucariotes. 92

unitat 5

El pes molecular de l’RNAr oscil·la entre 500.000 i 1.700.000. En general, el pes dels RNAr i dels ribosomes se sol expressar segons el coeficient de sedimentació de Svedberg (s). Aquest coeficient és directament proporcional a la velocitat de sedimentació de la partícula durant la ultracentrifugació*. Suposant que la partícula sigui esfèrica, com que la velocitat de sedimentació depèn de la massa de la partícula, a partir d’aquest coeficient se’n pot calcular el pes molecular. El coeficient de sedimentació s’expressa en unitats svedberg (S), en què un svedberg equival a 1013 segons. Les cèl·lules procariotes presenten ribosomes de 70 S, i les cèl·lules eucariotes, de 80 S.

3.4. L’RNA nucleolar L’RNA nucleolar (RNAn) és un RNA que es troba constituint el nuclèol. S’origina a partir de diferents segments de DNA, un dels quals s’anomena regió organitzadora nucleolar. A partir d’aquest DNA, es forma al nuclèol un RNA de 45 S. Aquest RNA nucleolar s’associa a proteïnes, procedents del citoplasma, moltes de les quals són les que conformen els ribosomes. Posteriorment, la gran partícula de ribonucleoproteïna s’escindeix en tres RNA; a continuació s’afegeix un RNA de 5 S, també associat a proteïnes, sintetitzat fora del nuclèol, és a dir, al nucleoplasma, a partir d’un altre segment de DNA. A partir de tots ells es formen les dues subunitats ribosòmiques, una de 40 S i l’altra de 60 S, que travessen l’embolcall nuclear i s’uneixen en el citoplasma, i donen lloc a un ribosoma de 80 S.

CITOSOL

NUCLI

DNA

RNA nucleolar (45 S) RNA 18 S

Subunitat ribosòmica de 40 S ⴙ

RNA 28 S RNA 5,8 S RNA 5 S NUCLÈOL RNA (5 S)

Subunitat ribosòmica de 60 S

RNAm Ribosoma de 80 S

Proteïnes ribosòmiques

3.5. Les funcions dels àcids ribonucleics Les funcions dels RNA poden resumir-se en tres: • Transmissió de la informació genètica des del DNA fins als ribosomes. Els enzims RNA-polimerases sintetitzen, per mitjà de la complementarietat de les bases, un RNA missatger, procés denominat transcripció. Ho fan a partir d’un gen de DNA, és a dir, una seqüència de nucleòtids de DNA amb informació sobre una proteïna. Després, aquest RNAm arribarà fins als ribosomes. El DNA s’utilitza únicament com a magatzem d’informació genètica. • Conversió de la seqüència de ribonucleòtids d’RNAm en una seqüència d’aminoàcids. Aquest procés s’anomena traducció i es duu a terme en els ribosomes. Hi intervenen, a més de l’RNAm, l’RNAr dels ribosomes i l’RNAt que transporten els aminoàcids, «maons» de l’edifici proteic. • Emmagatzemament de la informació genètica. A alguns virus els manca DNA i, per això, tenen la informació biològica en forma d’RNA. Per exemple, el virus de la grip, el de la poliomielitis, el de la immunodeficiència humana (VIH), els reovirus (que tenen RNA bicatenari), etc.

A FONS L’RNApn Hi ha un cinquè tipus d’RNA, l’RNA petit nuclear (RNApn), denominació que fa referència al fet que té una mida molt petita i que és present al nucli de les cèl·lules eucariotes. També s’anomena RNA-U, perquè té un alt contingut d’uridina. L’RNApn s’uneix a certes proteïnes del nucli i forma les ribonucleoproteïnes nuclears (RNPpn), i així actua duent a terme el procés d’eliminació d’introns (maduració de l’RNAm), gràcies al fet que té seqüències complementàries a les dels extrems dels introns.

Els àcids nucleics

Ultracentrifugació. Procés de centrifugació que es duu a terme amb una ultracentrífuga, aparell que aconsegueix camps centrífugs de 250.000 vegades la força de la gravetat, mitjançant la rotació al voltant d’un eix.

L’RNA nucleolar i com intervé en la fabricació dels ribosomes. S’observa com l’RNA de 45 S s’escindeix en tres: un RNA de 18 S, un RNA de 28 S i un RNA de 5,8 S.

Activitats 17 Dibuixa un segment d’RNA de només dos nucleòtids. Assenyala-hi on són els enllaços N-glicosídics, els enllaços fosfoèsters, el lloc on se situaria el nucleòtid següent, i la direcció de creixement de la cadena de ribonucleòtids. 18 Per què molts RNA, malgrat ser monocatenaris, poden presentar regions amb estructura en doble hèlix? 19 Es coneixen molts tipus de RNAt. En què es diferencien uns dels altres? 20 Quina diferència hi ha entre l’RNAm de procariotes i l’RNAm d’eucariotes?

93

Activitats 21 Indica si les seqüències següents de bases nitrogenades pertanyen a un DNA o a un RNA.

27 En el procés d’extracció d’un àcid nucleic s’ha trobat el tros indicat a sota. Comenta: a) De quin tipus d’àcid nucleic es tracta? b) Quina en seria l’estructura completa? c) Podria correspondre al sector de l’anticodó d’un ARNt? d) Podria correspondre a un dels braços d’un ARNt?

a) 5’ ... CTCCGATCC ... 3’ b) 5’ ... UCCGCAAUA ... 3’ c) 5’ ... ATACGATTA ... 3’ d) 5’ ... CCGCGCAAC ... 3’ 22 En el procés d’extracció d’un DNA s’ha perdut un tros d’una de les dues cadenes. Completa el fragment que falta. 5’ ... CCGACT ... 3’

26 Un ADN bacterià presenta un 26 % de guanina. Quin percentatge presenta de les altres bases nitrogenades?

3’ ... GGCTGATACTGTCTGCA ... 5’

5’ ... CCGACU ... 3’

28 Relaciona els tipus de molècules de la columna de l’esquerra amb les molècules de la columna de la dreta.

23 Quants enllaços de tipus èster hi ha en un dinuclèotid? Com es diuen? Dibuixa una molècula i assenyala’ls.

a) Quants nucleòtids presenta? b) Quina longitud té? c) De quin tipus d’àcid nucleic es tracta? d) On són el segment 3’ i l’extrem 5’? e) Quina és la seva seqüència ordenada de nucleòtids? f) Quina seria la seqüència ordenada de nucleòtids de la cadena complementària? g) Quins tipus d’enllaços presenta i quants n’hi ha de cada tipus? O

OH HOP 

O

N O

H

H NH2

H

O

32 Què resulta més difícil de separar, les dues cadenes d’un DNA bicatenari o dos nucleòtids d’una mateixa cadena? Justifica la resposta.

H3 C

HOP  O

Virus RNAt Timina Guanosina CMP DNA Guanina Histona Uracil RNAr

31 Quina característica diferencial entre el DNA i l’RNA explica per què el DNA resulta més estable que l’RNA?

H

H

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

30 Quina longitud té un fragment de DNA humà que presenta 600 nucleòtids?

O

N

F. G. H. I. J. K.

RNA de vida curta Nucleòsid Base púrica Molècula d’uns 3,6  1012 daltons de pes molecular Molècula present a l’RNA El tipus d’RNA més abundant Proteïnes associades al DNA Nucleòtid Base pirimidínica Tipus de matèria viva que pot tenir DNA o RNA

Molècules

29 Quins nucleòtids deuen abundar més en la cèl·lula, els de timina o els d’uracil? Justifica la resposta.

O CH2

Tipus de molècules B. C. D. E.

24 Observa el segment següent d’un àcid nucleic i indica:

3’ ... GGCUAUCUCUCA ... 5’

N

O O

CH2 H

N

O

Interpretació de dades

H H

H

Els experiments d’Avery, MacLeod i McCarthy

NH2

H

O

N

HOP  O

N

O

H

N

O

CH2 H

H

OH

H

N

H

25 En analitzar un àcid nucleic, el primer que se sap és que té ribosa, el següent és que presenta un 22 % d’uracil, un 24 % d’adenina, un 28 % de citosina, un 16 % de guanina i un 10 % de bases sense especificar. Per acabar, se sap que el seu pes molecular és aproximadament de 26.000 daltons. Indentifica l’acid nucleic explicant les conclusions a les quals t’ha conduït cadascun dels passos.

94

L’anàlisi química dels cromosomes va descobrir dos tipus de components, les proteïnes i l’àcid desoxiribonucleic (DNA) i al principi no es va saber quin dels dos components era el que contenia la informació biològica. La primera prova la van aportar Avery, MacLeod i McCarthy quan van investigar les transformacions bacterianes que havien estat observades per Griffith el 1928. Aquest microbiòleg havia treballat amb el bacteri que provoca la pneumònia en els humans, el pneumococ Streptococcus pneumoniae, i que generalment resulta letal per als ratolins. Havia observat que n’existien dues soques diferents: unes de virulentes, que provoquen la mort, proveïdes d’una càpsula de polisacàrids que dóna a les seves colònies un aspecte llis, i que per això va anomenar soques S (llis es diu smooth en anglès), i unes altres aparegudes per mutacions de les anteriors, que són inofensives, i a les quals els manca aquesta càpsula de polisacàrids, motiu pel qual les seves colònies no tenen aspecte llis sinó rugós, i que va anomenar soques R (rugós es diu rough en anglès).

unitat 5

Interpretació de dades La càpsula de polisacàrids forma una capa mucosa que protegeix els bacteris dels fagòcits.

35 Què consideres que va passar en l’últim experiment de Griffith?

Segons sembla, als mutants de la soca R els manca algun enzim necessari per sintetitzar aquesta càpsula, i per això són fagocitats. Griffith va inocular als ratolins bacteris S morts per ebullició i va observar que aquests sobrevivien, amb la qual cosa va demostrar que les càpsules no eren les que provocaven la malaltia. Quan infectava un ratolí amb una barreja de bacteris S (virulents) morts i de bacteris R (no virulents) vius, el ratolí, inexplicablement, emmalaltia i moria. A més a més, podien aïllar-se del seu organisme bacteris S vius. Hi havia alguna cosa en els cadàvers dels bacteris S que havia provocat la transformació dels R en S. Avery, MacLeod i McCarthy van trobar que només els extractes de bacteris S morts que contenien DNA eren capaços de produir aquesta transformació.

36 Què van demostrar Avery, MacLeod i McCarthy quan van trobar que només els extractes de bacteris S morts que contenien DNA eren capaços de produir la transformació de bacteris R en bacteris S?

a

S

El ratolí mor

b

c R S

El ratolí sobreviu d

morts per calor

El ratolí sobreviu

R

Malgrat l’evidència dels experiments d’Avery, MacLeod i McCarthy, el món científic es va resistir a acceptar que el DNA era el portador de la informació biològica. Molts van considerar que es tractava d’una peculiaritat dels bacteris. No s’entenia que una molècula constituïda per només quatre tipus de nucleòtids pogués ser la que contenia la informació biològica, en comptes de les molècules proteiques, que estan constituïdes per vint tipus d’aminoàcids. Va ser necessari l’experiment d’A. Hershey i M. Chase el 1952, vuit anys després, per confirmar aquestes conclusions. Aquests científics van treballar amb un virus de DNA que infecta els bacteris, el bacteriòfag T2. A partir d’un cultiu amb l’isòtop radioactiu S35, com a font de sofre, van aconseguir virus que tenien aquest isòtop en els aminoàcids (cisteïna i metionina) de la seva càpsida proteica, i a partir d’un altre cultiu amb l’isòtop radioactiu P32 van aconseguir obtenir virus que tenien aquest isòtop en el seu DNA. Posteriorment, van infectar amb aquests virus un cultiu del bacteri Escherichia coli. Després de deixar temps suficient perquè els virus infectessin els bacteris, van agitar el cultiu, mitjançant una batedora domèstica, per separar les càpsides buides dels virus infectants (les anomenades càpsides fantasmes), i finalment les van retirar mitjançant centrifugació. A partir del primer cultiu van observar que la radioactivitat deguda al S35 quedava a les càpsides buides, mentre que amb el segon cultiu van constatar que el DNA radioactiu apareixia a l’interior dels bacteris i, al cap d’un temps, a l’interior dels nous virus descendents. Així doncs, es va demostrar que és el DNA, i no les proteïnes, la molècula que passa d’una generació a una altra i, per tant , la que conté la informació de com han de ser els organismes. 37 De quin tipus de molècules està constituït el virus T2?

S morts per calor

Els experiments de Hershey i Chase

El ratolí mor

38 Per quina raó es van triar isòtops radioactius de S i de P, i no de C, N, O o H, per fer aquesta experiència? 39 Quina funció té la càpsida i quina el DNA en el bacteriòfag T2? 40 Per quina raó aquest experiment demostra que les proteïnes no aporten informació genètica als descendents?

Experiment de Griffith sobre la transformació de bacteris R en S. 33 Quina estructura tenen els bacteris S que no tenen els bacteris R? 34 Actualment se sap que els bacteris poden incorporar segments de DNA de l’exterior, procedent d’altres bacteris. Explica l’esquema següent sobre la transformació dels bacteris de la soca R en bacteris de la soca S. Paret cel·lular Cromosoma bacterià

S35

Càpsules radioactives

S35

batedora 35

S Bacteriòfag T2

Virus infectant Bacteris infectats amb DNA el bacteri víric sense radioactivitat P32

P32

batedora

Bacteriòfag T2

P32

Virus infectant Bacteris infectats amb DNA el bacteri víric radioactiu

L’experiment de Hershey i Chase.

Els àcids nucleics

95

Laboratori Extracció de DNA i observació al microscopi Material: un ganivet o unes tisores, un homogeneïtzador (batedora de cuina o, si no es pot aconseguir, un morter de laboratori amb sorra rentada), un embut, diverses gases quadrangulars (10 cm 10 cm), una proveta de 200 ml, un vas de precipitats de 250 ml, una vareta de vidre, un microscopi, portaobjectes i cobreobjectes. Productes químics: SDS (dodecil sulfat sòdic) o, si no es pot aconseguir, detergent líquid comercial, NaCl 2M, metanol o alcohol etílic de 96°, orceïna acètica (1 %) o hematoxilina. Productes naturals: 10 g de gònada de musclo o 20 g de fetge de vedella.

Desenvolupament de la pràctica 1. Durant els mesos de gener i febrer el material més recomanable és el musclo. Durant aquests mesos es produeix l’etapa gametogènica en aquests animals. La gònada, el sexe de la qual triga a diferenciar-se, és voluminosa i envaeix el mantell, per la qual cosa si se separen les masses que queden adherides a les conquilles en obrir-les es poden obtenir fàcilment uns 10 g de gònades. S’han d’utilitzar els individus de color rosat, que són les femelles, i no els de color blanquinós, que són els mascles, ja que el DNA del nucli dels espermatozoides està molt unit a les protamines, i per això és més difícil de separar-l’en. Si no es disposa d’aquest material es poden utilitzar 20 g de tim de vedella, que es pot obtenir en algun escorxador. En les cèl·lules d’aquest òrgan el nucli ocupa més de la meitat de l’espai interior. Si no se’n troba es pot emprar fetge de vedella o de pollastre. 2. Talla el material triat, mitjançant unes tisores, en trossets petits, introdueix-los a la batedora o en un morter de laboratori que contingui sorra rentada, afegeix-hi 100 ml d’aigua i tritura el material fins que quedi una massa homogènia i semilíquida. 3. Espera uns minuts que sedimentin les partícules més grans i, després, filtra el sobrenedant a través d’una o dues gases juntes. Recull-lo en el vas de precipitats. Repeteix el filtratge fins que el sobrenedant no contingui partícules sòlides (fibres conjuntives, cèl·lules musculars, vasos sanguinis, etcètera). 4. Afegeix a la proveta un volum igual de NaCl 2M per tal de produir un mitjà hipertònic que provoqui la ruptura dels embolcalls nuclears, el contingut dels quals quedarà alliberat en el medi.

El DNA extret té l’aspecte de filaments blancs.

5. Afegeix SDS, dodecil sulfat sòdic (CH3(CH2)11OSO3Na), al 10 %, fins que el conjunt arribi a un 2 % en SDS. S’ha de fer un tempteig per deduir quina és la proporció més adequada. Agita la barreja suaument amb una vareta de vidre, i deixa-la reposar cinc minuts. El detergent provoca la separació entre el DNA i les proteïnes. Anota el que succeeix. 6. Afegeix lentament, mitjançant una pipeta, lliscant per les parets del vas, 60 ml de metanol o d’alcohol etílic de 96° fred, de manera que es formin dues capes. Introdueix-hi amb cura una vareta de vidre, i fes-la rotar suaument en la mateixa direcció. Podràs observar la formació d’uns filaments blancs de DNA en la interfase, que es van enganxant i enrotllant a la vareta. 7. Amb la mateixa vareta, diposita alguns d’aquests filaments sobre un portaobjectes, afegeix-hi unes gotes d’orceïna acètica o d’hematoxilina i deixa que es tenyeixin durant uns cinc o deu minuts. A continuació, renta la preparació amb aigua destil·lada, amb cura de no arrossegar les fibres de DNA, asseca les vores, afegeix-hi una gota de glicerina, posa-hi un cobreobjectes i observa-ho al microscopi. 8. Les fibres de DNA presenten una coloració morada, mentre que la resta del material és de color cafè. Cal tenir molta cura a l’hora de fer les preparacions i d’observar-les.

Practica 41 Descriu el que has observat en cada pas. Fes un dibuix del DNA que has observat al microscopi.

96

unitat 5

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

6

CONTINGUTS

1 2 3 4

El descobriment de la cèl·lula Forma i mida de les cèl·lules L’estructura de les cèl·lules Els mètodes d’estudi de les cèl·lules 5 Augments i resolució dels microscopis

Com que la majoria de les cèl·lules són massa petites per poder-les observar a ull nu, el fet de descobrir-les va estar lligat a l’invent del microscopi, nom que deriva de les paraules gregues mikros ’petit’ i skopein ’veure, examinar’. Des dels microscopis més senzills fins a l’enorme resolució del microscopi electrònic, l’evolució de la tecnologia microscòpica ha estat decisiva en l’avenç de la citologia. • En el microscopi òptic s’utilitza la llum com a font de radiació, que passa a través de l’objecte que volem observar. Saps quina font de radiació s’utilitza en els microscopis electrònics? Per què cal utilitzar un monitor per observar els objectes? Microscopi electrònic.

1 El descobriment de la cèl·lula Els primers coneixements sobre la cèl·lula daten de l’any 1665, quan Robert Hooke va publicar els resultats de les seves observacions sobre els teixits vegetals, fetes amb un microscopi construït per ell mateix que arribava a uns cinquanta augments. En la seva obra Micrographia va descriure amb detall que el teixit suberitzat (suro) i els altres teixits observats estaven constituïts per una sèrie de cel·les petites, semblants a les d’un rusc d’abelles, i va establir el terme cèl·lules (del llatí cellulae, ‘petites cel·les’, ‘cambretes’) per designar-les. Les cèl·lules de suro que va observar Hooke no són cèl·lules completes, sinó només les parets de cel·lulosa residuals de les cèl·lules vegetals mortes, amb un interior ple d’aire. En els altres teixits sí que va poder observar cèl·lules vives. Malgrat això, ni ell ni els microscopistes del segle següent no van donar importància a la substància que hi havia tancada a l’interior. Cèl·lules de suro vistes amb el microscopi. A sota, fulles de la sensitiva (sensible al contacte). De Robert Hooke, Micrographia, 1665.

Rotífers. Grup d’animals aquàtics diminuts que tenen al cap un o dos cercles de cilis i abunden en aigües estagnants. Teixit cartilaginós. Tipus de teixit de sosteniment, que també s’anomena cartílag.

Un contemporani de Robert Hooke, l’holandès Van Leeuwenhoek, un comerciant ric tractant de fils i naturalista aficionat, es va dedicar a perfeccionar les lents d’augment i va construir microscopis senzills, que arribaven a tenir fins a 200 augments, amb els quals, en observar l’aigua de les basses i els fluids interns dels animals, va fer descobriments interessants. Així doncs, va poder veure per primera vegada protozous i rotífers*, que va anomenar animàlculs, llevats, espermatozoides, glòbuls vermells de la sang i, fins i tot, bacteris. Amb això va obtenir una gran popularitat entre els científics de la seva època. Durant el segle XVIII gairebé no hi va haver avenços en citologia; això va ser degut al fet que les aberracions cromàtiques i esfèriques de les lents no permetien millorar la qualitat d’observació dels primers microscopis. Per això i perquè les cèl·lules dels teixits animals generalment no tenen parets cel·lulars gruixudes, no es va poder descobrir que aquests també estan constituïts per cèl·lules. Durant el segle XIX, gràcies a la correcció de les aberracions òptiques i a la millora de les tècniques de preparació microscòpica (fixació, inclusió i tinció), es van poder estudiar les cèl·lules amb més detall i observar-hi diverses estructures a l’interior. Així doncs, el 1831, Brown va descobrir en les cèl·lules vegetals un corpuscle que va anomenar nucli. El 1839, el zoòleg alemany Schwann va establir el paral·lelisme entre els teixits animals i els vegetals quan va observar que el teixit cartilaginós* estava constituït per cèl·lules separades clarament entre si per una abundant matèria extracel·lular, a l’interior de la qual també hi havia un nucli. Schwann també es va adonar que en la cèl·lula no tan sols és important l’estructura, sinó també el funcionament, que va anomenar metabolisme.

Bacil Bacil

Bacil

Cocs formant una colònia

Bacil Cocs

Bacteris observats per Leeuwenhoek el 1684. 98

Bacteris (bacils i cocs) del iogurt. unitat 6

1.1. La teoria cel·lular A partir dels postulats del zoòleg Schwann (1839) i del botànic alemany Schleiden (1838), el desenvolupament de l’anomenada teoria cel·lular es va iniciar quan se’n van enunciar clarament els dos primers principis: 1. Tots els éssers vius estan constituïts per una o més cèl·lules; és a dir, la cèl·lula és la unitat morfològica de tots els éssers vius.

2. La cèl·lula és capaç de dur a terme tots els processos metabòlics necessaris per mantenir-se amb vida; és a dir, la cèl·lula és la unitat fisiològica dels organismes.

Schwann pensava que les cèl·lules es podien formar mitjançant l’agregació d’orgànuls, cosa que no és certa. L’any 1855 el metge alemany Virchow va aportar una idea correcta sobre l’origen de les cèl·lules quan va enunciar un tercer principi: 3. Les cèl·lules tan sols poden sorgir a partir d’unes altres d’existents, idea que en llatí es va expressar amb la frase famosa: «Omnis cellula ex cellula», ’tota cèl·lula prové d’una altra cèl·lula’.

En els anys posteriors es van fer diversos avenços en la teoria cel·lular, com ara l’observació del medi intern de la cèl·lula vegetal, que va rebre el nom de protoplasma. Des d’aquell moment ja es va començar a donar menys importància a la membrana cel·lular i més al seu interior. El concepte de cèl·lula va evolucionar cap a una estructura constituïda per «un cúmul de protoplasma, limitat per una membrana, a l’interior del qual hi ha un nucli».

El 1899 Ramón y Cajal va descobrir que el teixit nerviós també estava constituït per cèl·lules individuals i no per simples fibres soldades, com s’havia cregut fins aquell moment.

a

Aviat es van distingir al protoplasma dues parts, el citoplasma o part que envolta el nucli, i el carioplasma o part continguda al nucli. Es va descobrir la divisió directa o amitosi, en la qual el nucli es divideix per estrangulació, i la divisió indirecta, també anomenada cariocinesi o mitosi, en la qual el nucli experimenta diverses transformacions successives. Es va observar que durant aquest tipus de divisió es formen uns filaments nuclears, que van ser anomenats cromosomes. El 1902, Sutton i Boveri van proposar que la informació biològica resideix en els cromosomes de la cèl·lula. A partir d’això i dels coneixements actuals sobre genètica es pot afegir el quart principi a la teoria cel·lular:

b

Sang observada amb el microscopi òptic (a) i amb l’electrònic (b).

4. La cèl·lula conté tota la informació sobre la síntesi de la seva estructura i el control del seu funcionament, i és capaç de transmetre-la als seus descendents; és a dir, la cèl·lula és la unitat genètica autònoma dels éssers vius.

Activitats En resum, la teoria cel·lular enuncia que la cèl·lula és la unitat morfològica, fisiològica i genètica de tots els éssers vius. La microscòpia òptica va permetre descobrir, a més, l’àster (sistema de filaments que irradien del centrosoma), els mitocondris, els cloroplasts, l’aparell o complex de Golgi, el reticle endoplasmàtic i els vacúols. El 1892 es va publicar la primera obra on es recopilaven tots els conceptes coneguts sobre la cèl·lula, i on es relacionava cada estructura amb la funció que feia. Es considera que amb aquesta obra de síntesi va néixer la citologia (del grec kytos, ‘cèl·lula’, i logos, ‘estudi’) com a ciència. La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

1 Què se sabia de la cèl·lula al final del segle XVII? 2 Quines estructures cel·lulars es van identificar gràcies al microscopi òptic? 3 Què vol dir que la cèl·lula és la unitat genètica autònoma dels éssers vius?

99

1.2. Els avenços en microscòpia Posteriorment als enunciats de la teoria cel·lular, es van construir altres tipus de microscopis. El microscopi de llum ultraviolada aconsegueix detalls més precisos gràcies a la menor longitud d’ona. El microscopi de contrast de fases no necessita la tinció de les preparacions per observar els petits detalls. L’any 1932 es va inventar el microscopi electrònic, que va significar una autèntica revolució en la citologia, tot i que no va quedar perfeccionat per ser utilitzat en microbiologia fins al 1952. La microscòpia electrònica va permetre descobrir els ribosomes i els lisosomes (tot i que se n’havia intuït l’existència amb el microscopi òptic), els peroxisomes, les vesícules sinàptiques, la pinocitosi i els microtúbuls, filaments intermedis i microfilaments que constitueixen el citosquelet. També ha permès observar l’estructura de tots els orgànuls cel·lulars ja descoberts amb la microscòpia òptica, com ara l’estructura de la membrana plasmàtica, constituïda per una doble capa lipídica i per proteïnes.

1.3. El concepte de cèl·lula La cèl·lula és una estructura constituïda per tres elements bàsics: membrana plasmàtica, citoplasma i material genètic (DNA), que té la capacitat de fer les tres funcions vitals: nutrició, relació i reproducció. Les cèl·lules dels organismes unicel·lulars, com els protozous i les algues i fongs unicel·lulars, duen a terme les tres funcions vitals. També les fan les cèl·lules d’organismes en forma de tal·lus, com ara les algues i els fongs pluricel·lulars. Les cèl·lules molt especialitzades dels teixis dels organismes pluricel·lulars han perdut la capacitat de reproduir-se. És el cas de les neurones i de les cèl·lules musculars estriades. La cèl·lula és l’estructura més simple que es coneix amb capacitat per fer les tres funcions vitals per si mateixa, és a dir, sense necessitat d’altres éssers vius. Els virus també són considerats per molts autors com a éssers vius perquè són capaços de reproduir-se, però necessiten envair una cèl·lula viva per aconseguir-ho. Sols no podrien sobreviure, per tant, no són la forma més simple de vida autònoma. Limfòcit sanguini infectat pel virus de la sida.

Els virus no són cèl·lules, ja que no tenen un citoplasma amb un conjunt d’enzims capaços de dur a terme el metabolisme. Tenen una estructura molt més senzilla que la cel·lular, és a dir, són una forma de vida acel·lular. Atesa la total dependència respecte de les cèl·lules, els virus, més que éssers vius, s’haurien de considerar com a matèria viva. Els virus es troben en la frontera entre els éssers vius i la matèria inerta.

Activitats 4 Quines estructures cel·lulars eren desconegudes fins que es va inventar el microscopi electrònic? 5 Per què, si els virus són matèria viva, no són ni la forma de vida més petita possible ni la unitat morfològica dels éssers vius?

Virus de la grip. 100

unitat 6

2 Forma i mida de les cèl·lules 2.1. La forma de les cèl·lules Les cèl·lules presenten una gran variabilitat de formes i, fins i tot, n’hi ha que no presenten una forma fixa. Hi ha cèl·lules arrodonides, el·líptiques, fusiformes, estrellades, prismàtiques, aplanades, etc. És a dir, no hi ha un prototipus de forma cel·lular. El fet que normalment es representin com una circumferència, o una el·lipse, amb un punt que representa el nucli, és una mera simplificació de la realitat. • Moltes cèl·lules lliures, com ara els leucòcits fagocítics de la sang i les amebes*, tenen una membrana plasmàtica fàcilment deformable, i constantment canvien de forma perquè emeten prolongacions citoplasmàtiques (pseudòpodes) per desplaçar-se i per fagocitar partícules. Altres cèl·lules lliures similars, però sense la capacitat d’emetre pseudòpodes, com ara els eritròcits i els limfòcits sanguinis i molts ciliats*, tenen una forma globular. Això és degut a la cohesió entre les molècules d’aigua, la mateixa causa que explica que les gotes dels líquids siguin esfèriques. • Les cèl·lules que estan unides a d’altres formant teixits, si estan mancades d’una paret cel·lular rígida, tenen una forma que depèn, en gran manera, de les tensions que hi generen les unions amb les cèl·lules contigües. Per exemple, en el teixit epitelial animal, les cèl·lules profundes tenen forma prismàtica, mentre que les superficials, que no experimenten tensions per part de cèl·lules superiors, són aplanades. • Les cèl·lules proveïdes de paret de secreció rígida, com ara els bacteris, la majoria de les cèl·lules vegetals que tenen una paret cel·lular de cel·lulosa i els osteòcits del teixit ossi, lògicament, presenten una forma molt estable.

Ameba. Protozou constituït per una sola cèl·lula nua que es caracteritza perquè és capaç d’emetre peseudòpodes. Ciliat. Classe de protozous amb el cos recobert de cilis que viuen en l’aigua dolça.

a

b

Finalment, queda remarcar que la forma de les cèl·lules està estretament relacionada amb la funció que exerceixen. Així doncs, les cèl·lules musculars solen ser allargades i fusiformes, adaptades per poder-se contraure i relaxar; les cèl·lules del teixit nerviós són irregulars i tenen nombroses prolongacions per tal de poder transmetre els impulsos nerviosos; les cèl·lules de l’epiteli intestinal presenten la membrana plasmàtica lliure amb nombrosos plecs per augmentar la seva superfície d’absorció, etc. En resum, les formes de les cèl·lules estan determinades bàsicament per la funció que desenvolupen i poden variar més o menys en relació amb l’absència de paret cel·lular rígida, les tensions d’unions a cèl·lules contigües, la viscositat del citosol, els fenòmens osmòtics i el tipus de citosquelet intern.

c

Activitats d 6 Aquesta fotografia pertany al teixit epitelial. Analitza la forma de les cèl·lules en relació amb la funció.

a) Ameba. b) Colònia de Vorticella. c) Teixit ossi compacte. d) Teixit muscular estriat de la llengua. La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

101

2.2. Les unitats de mesura en citologia Encara que algunes cèl·lules, com els rovells dels ous dels ocells, es poden observar a ull nu, en general són tan petites que no es veuen si no és amb l’ajut d’un microscopi.

1-2 mm

Límit de l’ull humà

Ones de ràdio

1 mm

Atès l’ínfima mida que tenen, la unitat de mesura utilitzada per indicar-ne les dimensions no és el mil·límetre, ja que s’haurien de fer servir xifres amb molts decimals i, per tant, incòmodes de manejar, sinó el micròmetre (μm), que és la milionèsima part d’un metre, és a dir la mil·lèsima part d’un mil·límetre. El micròmetre també s’anomena de forma abreujada micra (μ). 1 mm ⴝ 1.000 μm

100-150 μ

100 μm

També s’utilitzen unitats més petites per fer referència a detalls dels orgànuls cel·lulars, com és el nanòmetre (nm), que equival a 1 m/109, és a dir, és la milmilionèsima part d’un metre o la mil·lèsima part d’un micròmetre. 1μm ⴝ 1.000 nm Per expressar les distàncies entre les molècules que formen les macromolècules dels orgànuls cel·lulars, s’utilitza una unitat encara més petita, l’àngstrom (Å), que és deu vegades més petit que un nanòmetre.

Cèl·lula eucariota de mida mitjana Infraroig

20-30 μ 10 μm

En citologia, a més de les unitats de longitud, s’utilitzen unitats de massa. La unitat de massa més utilitzada per als orgànuls cel·lulars és el picogram (1 pg  1012 grams); per mesurar la massa de les macromolècules s’utilitza el dalton o l’uma (unitat de massa atòmica).

Hematies (cèl·lules eucariotes petites) Bacteris Mitocondris

0,5-1 μ

Límit del microscopi electrònic

Rajos γ i X

Límit del Ultraviolat microscopi Visible òptic

1 μm

1 dalton ⴝ 1,66. 10ⴚ24 grams Per exemple, el pes molecular de l’hidrogen (H2) és 2 daltons, el de l’aigua (H2O) és 18 daltons, el de la glucosa (C6H12O6) és 180 daltons, etc.

PPLO

Per a macromolècules i petites estructures, també s’utilitza com a mesura de massa l’svedberg (S), que és la unitat de la velocitat de sedimentació en centrífuga. Per exemple, els ribosomes de les cèl·lules procariotes tenen una massa de 70 S i l’RNA nucleolar assoleix els 45 S.

100 nm (1.000 Å) Virus 10 nm (100 Å)

1nm ⴝ 10 Å

Proteïnes

1 nm (10 Å)

Aminoàcids

0,1 nm (1 Å)

Àtoms

RHC HN

NH CO CHR

H 

C

7 Escriu en mil·límetres les quantitats següents:

H3CC COOH

a) 30.000 Å

NH2

b) 2.000 μm



H

Activitats

c) 0,02 m Les mesures i els instruments d’observació d’estructures biològiques microscòpiques.

102

d) 10.000 nm 8 Quina massa en picograms té una proteïna de pes molecular 100.000 daltons?

unitat 6

2.3. La mida de les cèl·lules La mida de les cèl·lules és extremament variable. Per exemple, els bacteris solen mesurar entre 1 i 2 μm de longitud, i la major part de les cèl·lules humanes, entre 5 i 20 μm. Per exemple, els eritròcits fan uns 7 μm de diàmetre; les cèl·lules del fetge o hepatòcits, 20 μm de diàmetre, etc. Hi ha cèl·lules amb mesures per sobre d’aquests valors. Són cel·lules que duen a terme funcions especials i que necessiten una mida més gran, com ara els espermatozoides humans, que fan 53 μm de longitud; els oòcits* humans, que mesuren uns 150 μm; els grans de pol·len de determinades plantes, que assoleixen mides de 200 a 300 μm; algunes espècies de paramecis, que poden arribar a mesurar més de 500 μm (per la qual cosa ja són visibles a ull nu). Els oòcits dels ocells són el rovell dels ous i són cèl·lules d’una mida gran, visibles a ull nu. Per exemple, el rovell de l’ou de la guatlla és una sola cèl·lula que mesura 1 cm de diàmetre (el nucli de la qual és un petit punt blanc que hi ha a la superfície). El rovell de l’ou de de la gallina mesura 2,5 cm, i el de l’estruç, 7 cm de diàmetre. Finalment, les cèl·lules amb més longitud són les neurones. Tot i que el cos cel·lular tan sols fa unes desenes de micres, les seves prolongacions axonals poden assolir, en els cetacis, uns quants metres de longitud. Grans de pol·len observats amb el microscopi electrònic. Ou d’estruç: 170 135 mm

Ou de gallina: 60 45 mm

Oòcit. Cèl·lula sexual femenina que, després d’una divisió meiòtica, dóna lloc a l’òvul. Mida comparativa d’algunes cèl·lules.

Ou de colibrí: 13 8 mm Òvul humà: 0,1 mm

100

Òvul humà; ameba

100 micres ()

Ou d’eriçó de mar

70 micres ()

Cèl·lula hepàtica Eritròcit Bacil tifoide Bacil de la influença Bacil de la influença Neumococ Bacteriòfag Molècula d’hemoglobina

20 micres () 7 micres () 2,4 0,5 micres () 0,5 0,2 micres ()

100

500 200 mil·limicres (m) 100 200 mil·limicres (m) 80 mil·limicres (m) 7 mil·limicres (m)

El rovell de l’ou és una cèl·lula de mida molt gran.

Activitats 9 Quantes vegades és més gran el volum d’una cèl·lula eucariota globular de 20 μm de diàmetre que un bacteri esfèric (un coc) de 2 μm de diàmetre?

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

103

2.4. La relació entre mida, forma i estat de la cèl·lula Nucli

Els factors que limiten l’augment de mida de les cèl·lules són la capacitat de captació de nutrients del medi que les envolta i la capacitat funcional del nucli. Quan una cèl·lula tridimensional esfèrica augmenta de mida, el volum augmenta proporcionalment al cub del radi (V  4 π r3/3), mentre que la superfície tan sols augmenta en funció del quadrat del radi (S  4 π r2), és a dir, augmenta molt més el volum que la superfície. Això implica que la relació superfície / volum disminueix, la qual cosa comporta un gran inconvenient per a la supervivència de la cèl·lula, ja que l’entrada de tots els nutrients està en funció de la superfície i, si aquesta resulta insuficient per aportar-los a tots els orgànuls que conté, la cèl·lula morirà. Per aquest motiu, poques cèl·lules madures són esfèriques. La majoria són aplanades, prismàtiques o irregulars, per mantenir la relació superfície/volum aproximadament constant.

Una altra manera de saber el grau de maduresa d’una cèl·lula consisteix a observar el grau d’empaquetament de la cromatina. Una cromatina estesa, que facilita la transcripció de l’ADN, es relaciona amb una cèl·lula en plena activitat metabòlica, mentre que una cromatina fortament empaquetada, molt sovint és indici d’una divisió cel·lular immediata.

Un altre aspecte interessant és que l’augment de volum de les cèl·lules no va acompanyat d’un augment del volum del nucli, ni de l’augment de la dotació cromosòmica. Com a conseqüència, en una cèl·lula extremadament gran, el nucli podria arribar a ser incapaç de controlar les nombroses reaccions metabòliques del seu citoplasma, les quals necessiten molts enzims derivats d’un gen. Per aquests motius, dins d’una mateixa estirp cel·lular, una forma globular i una relació superfície / volum gran, generalment és característica de cèl·lules joves. Per exemple, en els oòcits, que són cèl·lules globulars, com més grans són, més petita és la relació superfície/volum, per la qual cosa més propers seran a la maduresa i inici de la divisió. Així mateix, dins d’una mateixa estirp cel·lular, com més petita sigui la relació volum nuclear / volum citoplasmàtic, més propera estarà la cèl·lula a la seva maduresa, és a dir, més propera estarà a dividir-se, si té capacitat per ferho, o a morir, si no en té. La relació nucleoplasmàtica (RNP) relaciona el volum cel·lular (Vc) amb el volum del nucli (Vn ). Vn RNP  –––––——– Vc  Vn

2.5. La longevitat cel·lular Activitats 10 Quina és la relació nucleoplasmàtica en una cèl·lula globular de 20 μm de diàmetre si el nucli té 2 μm de diàmetre?

La durada de la vida de les cèl·lules és molt variable. En molts casos, no en tenim prou informació. Les longevitats més ben conegudes són les d’alguns tipus cel·lulars del cos humà. Hi ha cèl·lules que tan sols duren unes vuit hores i després es divideixen, com és el cas d’algunes cèl·lules de l’epiteli intestinal i pulmonar, i cèl·lules que duren tota la vida de l’individu, com ara les neurones i les cèl·lules del teixit muscular estriat, que han perdut la capacitat de reproducció.

11 Quin percentatge en volum ocupen els lisosomes d’una cèl·lula del fetge si n’hi ha uns 200, el diàmetre és de 200 nm i el radi de la cèl·lula és de 4 μm?

Els eritròcits humans perduren uns cent dies. Com que estan mancats de nucli, un cop passat aquest període, moren sense reproduir-se. La medul·la òssia roja dels ossos s’encarrega d’anar-los substituint constantment. Els hepatòcits del fetge viuen uns 150 dies.

12 Quina és la relació nucleoplasmàtica si el nucli ocupa el 8 % del volum total i aquest és de 4.000 μm3?

Els orgànuls de les cèl·lules es van renovant constantment, mentre dura la vida d’una cèl·lula. A partir de les membranes del reticle endoplasmàtic es formen noves estructures d’aquest, mentre que els mitocondris i els cloroplasts es divideixen diverses vegades. Per exemple, els mitocondris dels hepatòcits ho solen fer cada 10 dies.

104

unitat 6

3 L’ estructura de les cèl·lules L’ estructura comuna a totes les cèl·lules és, com ja s’ha comentat, la membrana plasmàtica, el citoplasma i el material genètic o DNA. • La membrana plasmàtica està constituïda bàsicament per una doble capa lipídica en la qual hi ha, englobades o adherides a la superfície, determinades proteïnes. Els lípids fan que la membrana es comporti com una barrera aïllant entre el medi aquós intern i el medi aquós extern. Això fa que les cèl·lules es comportin com gotes d’oli suspeses en aigua. Les proteïnes tenen funció de receptors de membrana, és a dir, permeten l’entrada i la sortida de substàncies no lipídiques. Algunes proteïnes són molt selectives. • El citoplasma inclou el medi intern líquid o citosol i unes estructures amb forma pròpia anomenades orgànuls cel·lulars. El conjunt d’orgànuls cel·lulars és conegut com a morfoplasma. • El material genètic està constituït per una o per diverses molècules filamentoses de DNA. Si tot el DNA d’una cèl·lula està envoltat per una membrana es diu que té nucli i, per tant, és una cèl·lula eucariota. En el cas que el DNA no estigui tancat per una membrana, es diu que la cèl·lula no té nucli, i rep el nom de cèl·lula procariota. Els bacteris (els eubacteris* i els arqueobacteris*) són cèl·lules procariotes. La resta d’éssers vius estan formats per cèl·lules eucariotes. Així doncs, tant els animals com les plantes, els fongs, les algues i els protozous estan constituïts per cèl·lules eucariotes.

3.1. Estructura de les cèl·lules procariotes Aquestes cèl·lules tenen membrana plasmàtica, citoplasma i material genètic.

Bacteri Salmonella typhimurium.

Arqueobacteris. Microorganismes unicel·lulars procariotes molt primitius que, en general, viuen en ambients extrems. Eubacteris. Bacteris veritables. Són microorganismes unicel·lulars procariotes àmpliament distribuïts per tot el planeta.

• La membrana plasmàtica, a diferència de les cèl·lules eucariotes, no conté colesterol. A més, les cèl·lules procariotes disposen d’una coberta gruixuda i rígida per fora de la membrana plasmàtica, que s’anomena paret bacteriana. • Citoplasma. A l’interior, les cèl·lules procariotes són molt més senzilles que les eucariotes: en general només hi tenen ribosomes i unes invaginacions o plecs interiors de la membrana plasmàtica anomenats mesosomes. • En les cèl·lules procariotes el material genètic està constituït per una sola fibra de DNA, més o menys condensada, que es troba en una regió del citoplasma anomenada nucleoide, en el qual no es poden distingir nuclèols.

Membrana plasmàtica

Clorosoma

Mesosoma

Ribosoma Citoplasma

Paret bacteriana

Plasmidi

Inclusions citoplasmàtiques

Flagels Nucleoide

Carboxisoma Grànul de reserva

Vacúol gasós

Les cèl·lules procariotes no tenen nucli visible. El material genètic està dispers pel citoplasma. La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

105

3.2. Estructura de les cèl·lules eucariotes Utilitzant mètodes de tinció i microscòpia òptica, i sobretot gràcies a la microscòpia electrònica, s’ha pogut observar l’estructura de les cèl·lules eucariotes. Interiorment, les cèl·lules eucariotes són molt complexes. A la matriu citoplasmàtica es distingeixen les estructures mancades de membrana, el sistema endomembranós, els orgànuls transductors d’energia i el nucli. a

b

c

d

a) Algues unicel·lulars que presenten grans vacúols. b) Membrana plasmàtica i orgànuls cel·lulars. c) Sistema endomembranós. d) Alga unicel·lular amb coberta rígida.

• Totes les cèl·lules eucariotes presenten una membrana plasmàtica molt semblant. Algunes presenten una membrana de secreció per sobre de la plasmàtica. • Les estructures mancades de membrana que hi ha en el citoplasma són els ribosomes, els centrosomes i l’endosquelet o citosquelet, que està format per microtúbuls, els filaments intermedis i els microfilaments. • El sistema endomembranós és el conjunt d’estructures intercomunicades i de vesícules aïllades que en deriven, que poden ocupar gairebé la totalitat del citoplasma. Cada tipus d’estructures membranoses desenvolupa una funció diferent. S’hi distingeixen el reticle endoplasmàtic, que és la continuació de la coberta nuclear, l’aparell de Golgi, al seu torn també relacionat amb les membranes del reticle endoplasmàtic, els vacúols i els lisosomes. • Els orgànuls transductors d’energia són els mitocondris i els cloroplasts. Són orgànuls que tenen una doble membrana. La seva funció és la producció d’energia, tant si és a partir de l’oxidació de la matèria orgànica, tal com passa en els mitocondris, com a partir de l’energia lluminosa, tal com succeeix en els cloroplasts. • El nucli de les cèl·lules eucariotes consta d’una doble coberta membranosa, l’anomenat embolcall nuclear o coberta nuclear, que presenta molts porus, per la qual cosa només separa parcialment el seu medi intern, el nucleoplasma, del citoplasma. En el nucleoplasma hi ha el material genètic en forma de cromatina dispersa, i, enmig d’aquesta, una, dues o tres condensacions materials anomenades nuclèols.

106

unitat 6

3.3. Cèl·lules animals i cèl·lules vegetals Les cèl·lules eucariotes presenten dos tipus d’organització diferent segons si es troben constituint organismes animals o vegetals. Així doncs, es pot parlar de cèl·lules animals i de cèl·lules vegetals. • En la cèl·lula animal, hi pot haver una membrana de secreció de mucopolisacàrids, l’anomenada matriu extracel·lular. Els vacúols són petits, el nucli sol ser al centre, hi ha un diplosoma format per dos centríols. Pot presentar cilis, flagels o emetre pseudòpodes. El polisacàrid amb funció de reserva energètica que es troba a les cèl·lules animals és el glicogen. Reticle endoplasmàtic

Membrana

Centríols Vacúol

Lisosoma Aparell de Golgi

Nucli

Cèl·lula animal imaginària.

Mitocondri

• En la cèl·lula vegetal destaca la presència d’una paret de secreció gruixuda de cel·lulosa, l’existència en general d’un vacúol gran central que desplaça el nucli des del centre cap a un costat, i la presència de plasts, com ara els amiloplasts, que emmagatzemen el polisacàrid midó, i els cloroplasts, on es duu a terme la fotosíntesi. Reticle endoplasmàtic Cloroplast

Mitocondri Nucli

Vacúol Aparell de Golgi

Paret

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

Cèl·lula vegetal imaginària. 107

3.4. Diferències i similituds entre la cèl·lula animal i la vegetal En el quadre següent s’indiquen les diferències i les similituds més importants entre la cèl·lula animal i la vegetal. Estructura de la cèl·lula eucariota

Animal

Membrana plasmàtica Membranes

Sí

Sí

Paret cel·lular cel·lulòsica (inclou plasmodesmes)

No

Sí

Matriu extracel·lular

Sí / No

No

Sí

Sí

Ribosomes

Sí

Sí

Centríols

Sí

No

Cilis

En algunes

No

Flagels

En algunes

No (excepte en anterozoides i algues flagel·lades)

Microtúbuls

Sí

Sí

Sí

Sí

Microfilaments (filaments d’actina)

Sí

Sí

Grànuls de reserva de midó

No

Sí

Reserves de glicogen

Sí

No

Llis

Sí

Sí

Rugós

Sí

Sí

Aparell de Golgi

Gran

Petit

Vacúols

Molts de petits (vesícules)

Un de gran i central o pocs més

Lisosomes

Sí

No, però hi ha estructures similars

Peroxisomes

Sí

Sí

Glioxisomes

No

Sí

Plasts

No

Sí

Cloroplasts

No

Sí, en les cèl·lules de les parts verdes

Mitocondris

Sí

Sí

Embolcall nuclear (posició del nucli)

Sí (central)

Sí (lateral)

Nucleoplasma

Sí

Sí

Cromatina

Sí

Sí

Nuclèol

Sí

Sí

Membrana de secreció

Citosol ( Hialoplasma) Estructures corpusculars

Estructures sense membrana o no delimitades totalment per una membrana

Estructures microtubulars

Estructures microfibril·lars Inclusions citoplasmàtiques

Citoplasma

Filaments intermedis

Reticle endoplasmàtic

Estructures delimitades per una o dues membranes

Orgànuls delimitats per una membrana senzilla i interrelacionats ( sistema endomembranós)

Orgànuls amb doble membrana (transductors d’energia)

Nucli

Vegetal

Citosquelet

Activitats 13 Tenen cloroplasts totes les cèl·lules vegetals? Raona la resposta. 14 Quines grans diferències hi ha entre els bacteris no fotosintètics i els protozous? 15 Es poden dividir les cèl·lules vegetals amb parets de secreció gruixudes? Quines cèl·lules dels vegetals tenen una paret cel·lulòsica i quines no?

108

unitat 6

4 Els mètodes d’estudi de les cèl·lules Les cèl·lules s’estudien amb els microscopis. Bàsicament es coneixen dos tipus de microscòpia: la microscòpia òptica i la microscòpia electrònica.

4.1. La microscòpia òptica El microscopi òptic és un sistema constituït per dues lents d’augment anomenades ocular i objectiu, i que fa servir els fotons de la llum visible per fer observacions. Els rajos lluminosos, que procedeixen d’una font d’il·luminació, travessen l’aire, incideixen sobre la preparació, constituïda pel vidre portaobjectes, la mostra, el medi englobador i el vidre cobreobjectes, i després travessen l’aire fins a arribar a la lent frontal de l’objectiu del microscopi. Aquest recull els rajos lluminosos, que han sofert múltiples refraccions, i en projectar-los cap a l’ocular, augmenta la imatge de l’objecte rebuda i, després, l’ocular la torna a augmentar.

a

Tubs òptics

Ocular

b Llum Feix de llum

Tambor o portaobjectes

Mostra

Braç Caragol macromètric

Objectiu

Lent condensadora

Lent objectiu

Platina Diafragma

Imatge intermèdia

Columna

Caragol micromètric

Focus de llum Peu o base

Ocular (lent de projecció)

Imatge final vista amb l’ull o enfocada sobre una placa fotogràfica

Les mostres observades han de ser molt a) Microscopi òptic. b) Recorregut de la llum en el microscopi òptic. fines. Cal fer talls de tan sols unes quantes micres de gruix, perquè els rajos lluminosos els puguin travessar. Les mostres biològiques vives solen ser incolores i transparents a la llum, per la qual cosa l’observació de detalls és difícil. Per aconseguir-ho, moltes vegades es requereix tenyir les mostres. Hi ha alguns tipus de microscopis, com els microscopis de contrast de fases o els de fons fosc, que permeten l’observació sense necessitat de tinció. Les cèl·lules vives s’han d’observar sense tenyir o tenyides amb uns quants colorants que no les matin, els anomenats colorants vitals, per exemple, el blau de metilè. Aquestes preparacions no són duradores i s’anomenen preparacions temporals.

Parameci vist amb microscopi òptic.

A FONS Els mètodes de tinció doble o triple De vegades s’utilitzen diversos colorants de manera successiva, amb la qual cosa s’aprofiten els avantatges de cadascun. Els mètodes de tinció doble o triple més coneguts són: • Hematoxilina-eosina en histologia animal. • Van-Giesson (hematoxilina-picrofucsina) en histologia vegetal. • Tinció Diff-Quick per a frotis de sang. • Giemsa (atzur de metilè, blau de metilè i eosina) per a frotis de sang. • May-Grünwald (blau de metilè-eosina) per a frotis de sang. • Pappenheim (combinació de Giemsa i May-Grünwald) per a sang. • Papanicolau per a reconeixement de cèl·lules canceroses en frotis vaginal.

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

109

4.2. Preparació de mostres per al microscopi òptic Per obtenir preparacions permanents s’ha de procedir a tècniques especials d’elaboració de preparacions microscòpiques. Aquestes tècniques són la fixació, la inclusió, el tall, la tinció i el muntatge. b

a

c

d e

g

f

h

Procés que cal seguir per elaborar una preparació microscòpica d’un teixit. a) Medul·la de saüc, tros de patata, etc. b) Micròtom de mà. c) Els talls dipositats sobre aigua es “pesquen” amb una agulla. d) Subjecció del tall i decantament de l’aigua. e) Tinció. f) Escorriment de l’aigua sobrera afegida per rentar el colorant. g) Assecatge de les vores amb paper de filtre. h) Col·locació de cobreobjectes. i) Centrament del cobreobjectes.

i

• Fixació. Consisteix a tractar la mostra biològica amb uns líquids anomenats conservants o fixadors que preserven la morfologia de les cèl·lules, la seva organització interna i la seva composició química, i les alteren el mínim després que hagin mort. Els fixadors més utilitzats són l’alcohol etílic al 70 %, el formaldehid, el glutaraldehid, el líquid de Bouin i el de Carnoy. • Inclusió. Si els teixits són rígids, com en el cas de les arrels, les tiges i les fulles ben desenvolupades, els talls es poden efectuar directament. Per a estructures tendres com ara meristemes, gemmes i fulles petites, i per a gairebé tots els teixits animals, les mostres prèviament s’han d’incloure en una substància que els proporcioni una consistència adequada per evitar-ne la deformació durant el tall. Això s’anomena tècnica d’inclusió.

El medi d’inclusió més utilitzat en histologia és la parafina, una substància que es vessa fosa, a uns 60oC, sobre la mostra, i es manté a aquesta temperatura un mínim de 4 hores. La parafina fosa hi penetra i després se solidifica quan es refreda. Com que la parafina és hidròfoba, abans de la inclusió s’ha de procedir a la deshidratació de la mostra, que consisteix a passar la mostra per una sèrie de dissolucions d’alcohol cada vegada més riques en alcohol, fins a arribar a líquids apolars com el xilè, que és un bon dissolvent de la parafina. • Tall. Si les mostres biològiques són d’un gruix tal que no resulten transparents al pas de la llum, abans de l’observació amb el microscopi s’han de tallar en capes molt fines fins a aconseguir-ho. Els aparells utilitzats per tallar les mostres s’anomenen micròtoms. Aquests poden efectuar talls extremament fins, generalment entre 6 i 12 μm de gruix. • Tinció. Després de tallar la mostra, els talls es dipositen i es fixen sobre el portaobjectes i després se’n fa la tinció. Segons les estructures que es vulguin destacar, s’utilitzen uns colorants o uns altres. Per exemple, si es vol observar la cromatina del nucli, constituïda pel DNA i, per tant, àcida, es pot utilitzar un colorant com l’hematoxilina, que, com que és de naturalesa bàsica, s’uneix fortament a la cromatina. Els colorants més coneguts són: el blau de metilè, l’eosina, l’hematoxilina, l’orceïna, la safranina, la picrofucsina, el Sudan i el verd de metil. • Muntatge. Després de la tinció s’ha d’efectuar el muntatge definitiu de la mostra abans de passar a observar-la. El muntatge consisteix a cobrir la mostra tenyida, col·locada sobre el portaobjectes, amb un medi de muntatge viscós i molt transparent, i després col·locar-hi al damunt un cobreobjectes de vidre que protegeixi la mostra. Preferentment, els medis de muntatge posteriorment s’han de consolidar i formar així una estructura compacta amb el cobreobjectes. D’aquesta manera s’aconsegueixen preparacions microscòpiques definitives, és a dir, que puguin ser observades amb el microscopi durant molts anys. Els medis de muntatge més utilitzats són, entre els no hidrosolubles i que, per tant, necessiten deshidratació prèvia, el bàlsam del Canadà, DPX i Eurapal, i entre els hidrosolubles, la goma aràbiga, la glicerina i la gelatina glicerinada.

110

unitat 6

4.3. La microscòpia electrònica El microscopi electrònic té unes bases físiques molt diferents del microscopi òptic. En lloc de llum visible utilitza un feix d’electrons que surten d’un filament (càtode), amb una diferència de potencial d’uns 65.000 volts. Atès el baix poder de penetració dels electrons, s’ha de fer el buit al tub del microscopi. Les lents no són de vidre, sinó bobines cilíndriques que generen un camp magnètic que condensen el feix d’electrons que passa pel seu eix central. Els electrons, quan xoquen amb els àtoms de la mostra biològica, es dispersen. Després, les bobines electromagnètiques condensen alguns dels feixos i posteriorment, en projectar-los, amplien el seu camp de dispersió, amb la qual cosa la imatge s’engrandeix. Hi ha dos tipus de microscopi electrònic: • Microscopi electrònic de transmissió (MET). Els electrons travessen la mostra i van a parar a una pantalla fluorescent. Té un poder de resolució de 4 Å i permet fins a un milió d’augments, mil vegades més que el microscopi òptic. • Microscopi electrònic de rastreig (MES). Els electrons són reflectits per la superfície de la mostra, per la qual cosa dóna imatges dels objectes en tres dimensions. La imatge es projecta en un monitor de televisió. Té un poder de resolució unes cinquanta vegades menor que el microscopi electrònic de transmissió i permet uns 200.000 augments.

a

Ànode Canó d’electrons (càtode)

Lent intermèdia

Feix d’electrons

Lent condensadora magnètica Mostra

Lent de projecció magnètica

b

Canó d’electrons (càtode) Mostra Lent intermèdia Imatge intermèdia

Ocular

Imatge sobre pantalla fluorescent

Feix d’electrons Lent condensadora magnètica Lent objectiu magnètica

Lent de projecció magnètica Imatge final sobre pantalla fluorescent o placa fotogràfica

a) Esquema d’un microscopi electrònic.

Les imatges obtingudes pels microscopis elecb) Recorregut dels electrons en el microscopi electrònic. trònics s’anomenen micrografies en lloc de fotografies, ja que no s’han obtingut a partir de fotons (llum) sinó d’electrons. Les estructures cel·lulars, que poden ser visibles amb el microscopi electrònic, però no pas amb l’òptic, reben el nom d’ultraestructures. Micrografia d’un poll obtinguda amb un microscopi electrònic de rastreig. Els colors són afegits (en la microscòpia electrònica les imatges es veuen en blanc i negre).

Micrografia d’una cèl·lula en què es pot veure la cromatina, obtinguda amb un microscopi electrònic. Els colors són afegits. La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

111

4.4. Preparació de mostres per al microscopi electrònic La preparació de les mostres en microscòpia electrònica és molt diferent de la utilitzada per al microscopi òptic. • En primer lloc, a causa de l’escàs poder de penetració dels electrons, que han de travessar la mostra, els talls han de ser extremament fins (de 150 a 500 Å). El gruix necessari s’aconsegueix amb els ultramicròtoms, la fulla dels quals és de vidre o de diamant. • El procés de fixació és diferent: hi ha una prefixació amb glutaraldehid i després una fixació amb substàncies com el tetròxid d’osmi. • La inclusió és en una resina plàstica. • No hi ha tinció de la mostra, ja que la imatge que resulta de la difracció dels electrons és sempre en positiu i negatiu (blanc i negre). • Els talls es col·loquen sobre una reixeta de 3 mm de diàmetre i s’hi fixen amb una substància permeable als electrons com el col·lodió. • Finalment es fa el contrast amb solucions de sals de metalls pesants per ressaltar-ne les estructures. La introducció de la reixeta al tub del microscopi es duu a terme a través d’una comporta que evita l’entrada d’aire. Científics utilitzant un microscopi electrònic de transmissió d’alta resolució.

En el cas de la microscòpia de rastreig, al final, la mostra s’ha de recobrir d’una fina capa metàl·lica, generalment d’or, per possibilitar la reflexió dels electrons.

A FONS La immunofluorescència i el marcatge radioactiu La immunofluorescència és una tècnica d’observació microscòpica que permet observar determinats tipus de molècules, generalment proteïnes. El procés que se segueix és el següent: • En primer lloc s’inocula la substància en un animal perquè el sistema immunològic fabriqui anticossos contra ella. • Després, s’extreu sang de l’animal i s’aïllen els anticossos. • A continuació s’afegeix un marcador als anticossos. En microscòpia òptica s’utilitza una substància fluorescent o un colorant, i en microscòpia electrònica es fa servir una substància que porti un metall pesant. • Finalment s’afegeix a la mostra el complex anticòs-marcador, que s’uneix a la substància concreta que es vol identificar i així queda ressaltada. El marcatge radioactiu és una tècnica que permet estudiar el metabolisme dels éssers vius. S’utilitzen isòtops radioactius, com el C14, el N15, el P32, etc., per sintetitzar molècules que formen part dels organismes. • Les molècules marcades són subministrades als organismes, que les utilitzen per sintetitzar molècules més complexes en les reaccions metabòliques. • Les molècules derivades que presenten isòtops radioactius poden ser detectades per un comptador de radioactivitat, de manera que es pot fer un seguiment del metabolisme i dels llocs de la cèl·lula on s’acumulen.

112

Sang en un tub d’assaig.

unitat 6

5 Augments i resolució dels microscopis

MICROSCÒPIA ÒPTICA

El nombre d’augments és la relació entre la mida de la imatge o mida aparent (MA) i la mida real de l’objecte (MR). Mida de la imatge o mida aparent (MA) Nombre d’augments  ———————————————— Mida real de l’objecte (MR) El nombre d’augments d’un microscopi òptic resulta del producte del nombre d’augments de l’objectiu pel nombre d’augments de l’ocular. Aquests dos nombres figuren inscrits en l’objectiu i l’ocular, respectivament.

Poder resolutiu: 2.000 Å   5.000 Å

Nombre d’augments  Nombre d’augments de l’ocular · Nombre d’augments de l’objectiu

MICROSCÒPIA ELECTRÒNICA

Un elevat nombre d’augments no és suficient per distingir bé una imatge si el poder de resolució és baix. Si es vol veure què hi ha entre dos punts, el que importa és que, en augmentar la imatge, els dos punts es vegin més separats, no que es vegin dos punts més grans que s’intercepten. El poder de resolució d’un instrument òptic és la capacitat de distingir dos punts que són molt a prop. L’ ull humà tan sols pot distingir (en òptica es diu resoldre) dos punts separats per més de 0,1 mm, és a dir, separats per més de 100 μm. Això impedeix que puguem veure la majoria de les cèl·lules, com per exemple, un bacteri que no sol fer més d’unes 2 μm, una cèl·lula epitelial, que mesura unes 12 μm, etc. Amb el microscopi òptic es pot arribar a discriminar dos punts distants tan sols unes 0,2 μm, és a dir, el microscopi òptic té un poder de resolució de 0,2 μm. Amb això n’hi ha prou per veure cèl·lules i molts orgànuls si prèviament es tenyeixen de manera que destaquin de la resta, però no per observar els ribosomes, que solen mesurar entre 150 i 200 Å, o la doble capa lipídica que forma la membrana plasmàtica, que presenta un gruix només de 75 a 80 Å.

Poder resolutiu màxim: 3-4 Å   0,04 Å (Zeiss)

Diferents graus de detall en observar les cèl·lules amb un microscopi òptic i amb un microscopi electrònic ( és la longitud d’ona).

El microscopi electrònic pot arribar a tenir un poder de resolució d’uns 4 Å. Això permet veure els detalls esmentats abans. Tanmateix, resulta insuficient per observar la disposició en l’espai de les molècules que formen les macromolècules, com ara la successió de parells de nucleòtids complementaris del DNA, que tan sols disten entre si 3,4 Å, o distingir una volta en una estructura proteica en hèlix, que tan sols mesura uns 5,4 Å. Per fer aquestes observacions s’utilitza l’anomenada difracció de rajos X.

16 Quin instrument faries servir per fer un tall de 200 Å, de 500 μm i de 7.000 μm, respectivament?

El poder de resolució està directament relacionat amb l’obertura numèrica, que és proporcional al nombre de rajos de llum que concorren per formar la imatge. Com més rajos hi incideixin, més clara serà la imatge i més gran serà el poder de resolució. El valor de l’obertura numèrica està inscrit en els objectius del microscopis.

18 Què passaria si no es deshidratés la mostra abans d’incloure-la en parafina?

La longitud d’ona de la llum visible (de 360 a 760 nm) limita el poder de resolució del microscopi òptic. Tan sols pot arribar, amb un poder de resolució acceptable, a uns 1.200 augments. Fent un símil, es pot dir que per la mateixa raó, amb un escuradents no es pot detectar l’existència de Estructura forats molt més petits que el diàmetre de la seva punta. Si es volgués aconseguir, s’hauria de substituir l’escuradents per una agulla més fina. Òrgans

Activitats

17 Quins colorants utilitzaries per observar protozous vius?

Mètode d’observació

Mides per a les quals el mètode és apropiat

Ull nu

0,1 mm  100 μm

El microscopi electrònic, com que l’amplada del flux d’electrons és molt més petita que el flux de fotons de la llum visible, pot arribar a un milió d’augments amb una bona resolució.

Teixits

Microscòpia òptica

100 a 10 μm

Cèl·lula eucariota

Microscòpia òptica

10 a 0,2 μm

Es coneixen com a estructures cel·lulars les formes que són visibles amb el microscopi òptic, i com a ultraestructures les formes només visibles mitjançant instruments amb més poder de resolució, el més important dels quals és el microscopi electrònic.

Ultraestructures

Microscòpia electrònica

0,2 μm a 10 Å

Estructures moleculars

Difracció de rajos X

 10 Å

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

113

Activitats 19 Indica els noms de les diferents estructures d’aquestes cèl·lules assenyalades amb un número, i de quins tipus de cèl·lules es tracta. 11

13

12

14

1

26 A què és degut que les cèl·lules aïllades i que no disposen d’una paret cel·lular rígida tendeixen a tenir forma globular?

2

9

25 Què vol dir vida acel·lular? Per què els virus no són considerats cèl·lules?

3 10

27 Quina relació hi ha entre mm, μm, nm i Å? I entre gram, picogram i dalton o uma?

1 2

9

5

3

8

6 4

7

6

4

5

8

7

20 Indica els noms de les parts assenyalades en el dibuix següent d’un microscopi òptic. 1

2

28 Per què un augment de volum en una cèl·lula globular indueix la seva divisió en dues cèl·lules filles? Per què una forma globular pot significar que es tracta d’un cèl·lula jove? 29 Quines diferències respecte a nombre d’augments, poder de resolució i tipus d’imatge hi ha entre el microscopi òptic, el microscopi electrònic de transmissió i el microscopi electrònic de rastreig? 30 Per què no es poden observar estructures vives amb els microscopis electrònics? 31 Relaciona els noms de la columna de l’esquerra amb els de la columna de la dreta. 1. Microtúbuls

a) Reticle endoplasmàtic rugós

2. Ribosomes

b) Fotosíntesi

3. Paret cel·lular de cel·lulosa

c) Plast

4. Cloroplast

d) Cèl·lula animal

10

5. Glicogen

e) Citosquelet

9

6. Cèl·lula vegetal

f) Cèl·lula vegetal

7. Cromatina

g) Nucli

12 3

11

4

8

8. Orgànul transductor d’energia h) Citosol

7

9. Hialoplasma 5

10. Cèl·lula animal

i) Matriu extracel·lular j) Mitocondri

6

21 Escriu en una columna les estructures i els orgànuls que només són propis de les cèl·lules animals, i en una altra, els que només tenen les cèl·lules vegetals. Quins orgànuls són presents en els dos tipus de cèl·lula, però tenen mides diferents? Quina diferència hi ha entre el nucli de la cèl·lula vegetal i el de l’animal? Característiques pròpies de la cèl·lula vegetal

Característiques pròpies de la cèl·lula animal

22 Quin és el radi expressat en micròmetres d’una cèl·lula esfèrica que ocupa un volum de 4  106 mm3? 23 Quina és la relació nucleoplasmàtica d’una cèl·lula pràcticament esfèrica que presenta un radi 5 vegades més gran que el radi del seu nucli? 24 En què es va equivocar Schwann en les seves teories sobre les cèl·lules?

114

www 32 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació, i en el capítol sobre la composició, estructura i funció de la cèl·lula, fes els exercicis i l’activitat 1 de recerca. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/ 2bachillerato/La_celula/index.htm 33 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació, i en el capítol que parla de la composició, estructura i funció de la cèl·lula, fes l’activitat 3 de recerca sobre procariotes i eucariotes. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/ 2bachillerato/la_celula/contenidos2.htm 34 Vés al projecte Hyperlink a «2º de BACHILLERATO BIOLOGÍA», i clica el «Bloque II. La célula». Fes els 10 exercicis i el test sobre la cèl·lula. HYPERLINK "http://web.educastur.princast.es/ proyectos/"

unitat 6

Interpretació de dades 35 En aquesta imatge es pot observar un bacteri en forma de bacil vist amb un microscopi electrònic de transmissió (MET). Sota la imatge s’indica el nombre d’augments utilitzat. Amb l’ajuda d’un regle indica quina és la longitud real del bacteri.

36 En aquesta micrografia es poden observar quatre cèl·lules de l’epiteli de la mucosa bucal vistes amb un microscopi òptic. Sota la imatge s’indica el nombre d’augments utilitzat. Amb l’ajuda d’un regle indica quin és el nombre d’augments utilitzat.

Nombre d’augments: 30.000

Nombre d’augments: 120

37 Relaciona les fotografies de diferents tipus de cèl·lules amb els noms corresponents: 1. Bacteris

4. Cèl·lules del teixit ossi

2. Cèl·lula muscular cardíaca

5. Cèl·lules epitelials

3. Cèl·lules vegetals

6. Protozous flagel·lats

a

b

c

d

e

f

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció

115

Laboratori Elaboració de preparacions microscòpiques Material: estufa que arribi a 60º, cubetes per a tincions o gots petits, flascons comptagotes per a alcohols, aigua, colorants, etc., micròtom de taula, portaobjectes i cobreobjectes, pinzell. Productes químics: fixador Bouin o formol al 10 % , alcohol de 70º, alcohol de 90 º, alcohol absolut (100 º), xilè, parafina, aigua destil·lada, hematoxilina, eosina, essència d’eucaliptus, DPX o bàlsam del Canadà. Productes naturals: fetge, cor, múscul, pell, etc. d’algun animal del mercat. Histologia vegetal

c) 6 hores en alcohol absolut

Si les estructures són prou rígides, per exemple tiges d’un o dos mil·límetres de gruix, pecíols, arrels d’un o dos mil·límetres de gruix, fulles de pi, etc., no cal fer cap inclusió i es pot iniciar fent els talls. El procediment que cal seguir és:

d) 4 hores en xilè

1. Talls. Amb l’ajut d’un micròtom de mà (si no és té també pot anar bé una fulla d’afaitar) es fan diverses sèries de talls. Aquests es recullen sobre aigua corrent i es dipositen amb ajuda d’un pinzell sobre un portaobjectes amb dues o tres gotes d’aigua. 2. Hidratació i tinció. Per fer la tinció amb un comptagotes es cobreixen els talls amb els líquids següents: a) 5’ tinció amb hematoxilina b) 30’ amb aigua corrent de l’aixeta per aconseguir el virat del color c) 2’ amb aigua destil·lada d) 5’ amb eosina aquosa a l’1% 3. Deshidratació i muntatge. Si el medi de muntatge definitiu és hidròfob, com és el DPX o el bàlsam del Canadà, s’ha de deshidratar prèviament. Per fer-ho se segueixen els passos següents:

e) 4 hores en una mescla de xilè i parafina 3. Inclusió en parafina. En una capsa petita de paper, s’hi introdueix la mostra i s’hi afegeix parafina fosa a uns 60ºC de temperatura, perquè vagi penetrant als teixits. Es deixa 4 hores en una estufa a 60ºC. Posteriorment, es deixa refredar la parafina perquè consolidi i es formi un bloc. 4. Tall. Amb l’ajut d’un micròtom de taula es fan diverses sèries de talls. Aquests es recullen sobre aigua corrent temperada a uns 30ºC, per aconseguir que s’estenguin (planxat). Després es dipositen sobre un portaobjectes untat lleugerament amb glicerina de Mayer (glicerina i clara d’ou a parts iguals), i es deixen 2 hores en una estufa a 35ºC per aconseguir-ne l’adhesió. 5. Hidratació i tinció. Com que els colorants generalment són aquosos, abans de la tinció cal hidratar els talls parafinats. Després es fa a la tinció. Amb un comptagotes es cobreixen els talls amb els líquids següents: a) 15’ amb xilè b) 15’ amb alcohol absolut

a) 2’ amb alcohol de 70º

c) 15’ amb alcohol de 90º

b) 5’ amb alcohol de 90º

d) 15’ amb alcohol de 70º

c) 5’ amb alcohol absolut

e) 15’ amb aigua destil·lada

d) 15’ amb essència (creosota, eucaliptus, etc.)

f) 5’ tinció amb hematoxilina

e) 2’ amb xilè

g) 30’ amb aigua corrent de l’aixeta per aconseguir el virat del color

f) DPX o bàlsam del Canadà i un cobreobjectes al damunt

h) 2’ amb aigua destil·lada

Histologia animal 1. Fixació. Talla un tros cúbic d’un òrgan (per exemple, de fetge, cor, múscul, pell, etc.) d’1 cm de costat, i introdueix-lo en 100 cm3 del líquid fixador (Bouin, formol al 10 %) durant 24 hores. 2. Deshidratació de la mostra. Després de rentar bé la mostra per eliminar-ne les restes del fixador, s’ha de deshidratar, ja que la parafina és hidròfoba. Per fer-ho, fes el que s’indica a continuació:

i) 5’ amb eosina aquosa a l’1% 6. Deshidratació i muntatge. Si el medi de muntatge definitiu és hidròfob, com el DPX o el bàlsam del Canadà, s’ha de deshidratar prèviament. Per fer-ho se segueixen els passos següents: a) 2’ amb alcohol de 70º b) 5’ amb alcohol de 90º c) 5’ amb alcohol absolut d) 15’ amb essència (creosota, eucaliptus, etc.)

a) 6 hores en alcohol de 70º

e) 2’ amb xilè

b) 6 hores en alcohol de 90º

f) DPX o bàlsam del Canadà i un cobreobjectes al damunt

Activitats 38 HISTOLOGIA VEGETAL. Descriu el que has observat al microscopi en la preparació vegetal. Digues de quin color són: el nucli, els cloroplasts i la paret cel·lular.

116

39 HISTOLOGIA ANIMAL. Explica què has observat en la preparació animal. Indica el color del nucli, el citoplasma, les fibres musculars i les fibres conjuntives.

unitat 6

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

7

CONTINGUTS

1 2 3 4 5 6

La membrana plasmàtica Les membranes de secreció El citoplasma El centrosoma Els cilis i els flagels Els ribosomes

Les cèl·lules presenten una membrana plasmàtica fina i deformable que separa el medi extern del seu medi. Aquesta membrana està formada per una doble capa lipídica amb un nombre elevat de molècules de proteïna associades. A l’interior cel·lular hi ha el citoplasma, en el qual es poden diferenciar un medi líquid intern o citosol, una xarxa de proteïnes filamentoses o citosquelet i unes estructures amb formes diferents anomenades orgànuls cel·lulars. • Què passaria si la membrana no aïllés la cèl·lula de l’exterior? I què passaria si no tingués un citosquelet? Microvellositats de la membrana plasmàtica (intestí prim).

1 La membrana plasmàtica 1.1. Estructura i composició de la membrana plasmàtica Moviment alternat de canvi de capa

La membrana plasmàtica delimita la cèl·lula. La seva estructura és gairebé la mateixa que la de les membranes que delimiten molts orgànuls citoplasmàtics com l’aparell de Golgi, el reticle endoplasmàtic i els vacúols, per la qual cosa aquest tipus de membrana també rep els noms de membrana unitària i de membrana cel·lular. La composició general de la membrana plasmàtica és d’un 52 % de proteïnes, un 40 % de lípids i un 8 % de glúcids.

Moviment lateral

Segons el model proposat per Singer i Nicholson el 1972, la membrana plasmàtica està constituïda per una doble capa de lípids a la qual s’associen molècules proteiques, que es poden situar a les dues cares de la superfície d’aquesta doble capa o estar-hi totalment o parcialment englobades. Com que totes les molècules es poden moure entre si, aquest model rep el nom de model del mosaic fluid. Moviments dels fosfolípids a la bicapa lipídica.

Molècula amfipàtica. Molècula que presenta una zona hidròfila o polar i una zona lipòfila o apolar.

Els components lipídics bàsics de la bicapa són fosfolípids, que són els més abundants, glicolípids i colesterol. Com que totes aquestes molècules són amfipàtiques* i es troben en un medi polar (l’aigua exterior i l’aigua interior), s’orienten disposant els seus radicals polars cap al medi aquós i els seus radicals lipòfils cap als radicals lipòfils de l’altra capa. Aquesta disposició rep el nom d’autoacoblament i origina la bicapa lipídica. • Els fosfolípids i glicolípids de la bicapa tenen tendència a girar sobre si mateixos i a desplaçar-se lateralment per la seva monocapa. Tan sols ocasionalment poden canviar de capa lipídica. Aquesta mobilitat de les molècules origina una fluïdesa de la membrana que li permet adaptar-se als espais disponibles i canviants de l’exterior de la cel·lula. • El colesterol es disposa en els espais que originen els angles dels àcids grassos insaturats, de manera que disminueix la fluïdesa excessiva de la monocapa i manté l’estabilitat de la bicapa. També impedeix que els lípids de la membrana s’uneixin entre si, fet que produiria la ruptura de la bicapa per cristal·lització. Les proteïnes es disposen de tal manera que els radicals polars queden fora de la membrana i els radicals lipòfils estableixen contacte amb la part lipòfila dels lípids de la membrana. Tenint en compte la seva disposició en la bicapa, les proteïnes es poden classificar en:

Bicapa lipídica fluida

• Proteïnes integrals o intrínseques. Estan totalment o parcialment englobades en la bicapa. Aquestes proteïnes presenten un sector lipòfil que s’introdueix a la bicapa. Si travessen la bicapa i presenten sectors polars cap al medi extern i cap al medi intern, s’anomenen proteïnes transmembranoses. • Proteïnes perifèriques o extrínseques. Estan adossades a la bicaBicapa lipídica viscosa pa. Són proteïnes solubles que només tenen sectors polars amb els quals s’uneixen als radicals polars del lípids de membrana i de les proteïnes integrals. La membrana plasmàtica és una estructura asimètrica perquè només té glicolípids i glicoproteïnes a la cara externa. Aquestes molècules distingeixen els diferents tipus de molècules externes, per això s’anomenen receptors de membrana.

Àcids grassos insaturats

Fluïdesa de la bicapa lipídica. 118

Àcids grassos saturats

El conjunt de les cadenes d’oligosacàrids pertanyents als glicolípids i les glicoproteïnes de la membrana plasmàtica rep el nom de glicocàlix. Només es troba a les cèl·lules animals. Vist amb el microscopi, el glicocàlix té l’aspecte d’un vellut fi i curt. unitat 7

Cara externa de la membrana plasmàtica Glicoproteïna

Colesterol Cara interna de la membrana plasmàtica Proteïna transmembranal

Citoplasma

Proteïna perifèrica

La membrana plasmàtica és una estructura dinàmica. El fet que les molècules es puguin desplaçar lateralment permet que la membrana pugui autoreparar-se (autotancament) si sofreix una ruptura, o fusionar-se amb qualsevol altra membrana. Fins i tot, la membrana pot perdre sectors que ràpidament formen vesícules.

1.2. Funcions de la membrana plasmàtica La tasca més important de la membrana plasmàtica és mantenir estable el medi intern de la cèl·lula possibilitant el pas d’aigua i regulant l’entrada i la sortida de molècules i altres elements. Les funcions de la doble capa lipídica són: • Mantenir separats el medi aquós exterior del medi aquós interior. La bicapa lipídica és una barrera impermeable per a les substàncies polars i permeable per a les substàncies apolars. • Dur a terme els processos d’endocitosi i exocitosi. Això és possible gràcies a l’acoblament de les bicapes lipídiques. Les funcions de les proteïnes de la membrana són moltes i molt específiques. Les principals són: • Regular l’entrada i la sortida de molècules a la cèl·lula. Bàsicament es tracta de l’entrada de nutrients i de la sortida dels productes finals del metabolisme, les anomenades substàncies de rebuig. • Regular l’entrada i la sortida d’ions. Això permet generar i mantenir una diferència de potencial entre l’exterior i l’interior cel·lular de manera que l’interior sempre estigui carregat negativament respecte a l’exterior. • Possibilitar el reconeixement cel·lular. Les glicoproteïnes receptores de membrana fan aquesta funció. Les cadenes d’oligosacàrids que formen el glicocàlix actuen com a receptors específics de les molècules externes. • Dur a terme l’activitat enzimàtica. És el cas de molts enzims que estan a la membrana. • Intervenir en la transducció de senyals. És el cas de proteïnes de membrana que, en ser activades per una hormona, canvien de conformació i envien un senyal a l’interior cel·lular. • Constituir unions intercel·lulars, com ara les proteïnes de membrana que s’uneixen a les proteïnes de membrana de les cèl·lules veïnes. • Constituir punts d’ancoratge per al citosquelet intern i per a la matriu extracel·lular. Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

La membrana de les cèl·lules de l’epiteli intestinal està proveïda de microvellositats que augmenten la superfície d’absorció.

Activitats 1 Per què la membrana plasmàtica és una barrera impermeable per a les susbtàncies polars? 2 Quines molècules tenen la funció de receptors de membrana? En què consisteix aquesta funció?

119

A FONS Els receptors de membrana i el reconeixement cel·lular Són exemples de reconeixement cel·lular els casos següents: • El reconeixement, per part dels espermatozoides, dels òvuls de la seva espècie en els processos de la fecundació. • El reconeixement, per part dels virus, de les cèl·lules que infectaran, ja que són capaços d’unir-se als seus receptors de membrana. • El reconeixement i l’adhesió entre si de les cèl·lules que formen un mateix teixit. • El reconeixement de proteïnes de membrana considerades com a antígens per part de les cèl·lules immunocompetents, com ara els limfòcits T. El reconeixement d’antígens explica que en els trasplantaments, per evitar el rebuig d’un òrgan, sigui molt convenient un alt grau de parentiu entre el donant i el receptor; que en les transfusions de sang sigui necessari utilitzar el mateix grup sanguini, i que, en casos d’infecció vírica, els virus només afectin les cèl·lules d’un teixit determinat, aquelles que presenten les proteïnes de membrana que els permeten entrar.

Glicoproteïnes amb funció de receptors de membrana.

Les unions intercel·lulars Es distingeixen tres tipus d’unions entre membranes plasmàtiques: les unions adherents o desmosomes, les unions íntimes o d’oclusió i les unions de comunicació o gap. • Els desmosomes. Són unions puntuals que deixen un gran espai intercel·lular, d’uns 200 Å. Ancoren cèl·lules, però sense impedir el pas de substàncies per l’espai intercel·lular. Aquestes unions presenten dues estructures discoïdals (plaques), una en cada cèl·lula, unides per proteïnes transmembranoses. Cada placa es troba unida al citosquelet per una xarxa de filaments de queratina. • Les unions íntimes. Són unions que no deixen espai intercel·lular i, per tant, no permeten el pas de substàncies per aquest espai. Estan formades per molècules proteiques transmembranoses que es disposen formant fileres que solden (cusen) les membranes plasmàtiques entre si. Aquestes unions estan reforçades per proteïnes filamentoses intracel·lulars. • Les unions de comunicació o de tipus gap. Són unions que no deixen pas intercel·lular però sí que deixen un petit espai de comunicació entre els citoplasmes de les dues cèl·lules i, per tant, permeten l’intercanvi de molècules entre si. Estan constituïdes per dos connexons. Cada connexó és un tub fi constituït per sis proteïnes transmembranoses que travessen la membrana plasmàtica i s’uneixen a un altre connexó de la cèl·lula contigua.

Proteïna transmembranosa Unió íntima Unió íntima

Espai intercel·lular Proteïna transmembranosa

Desmosoma Desmosoma

Filaments de queratina

Estructura discoïdal o placa

Unió gap

Unió gap

Membrana

Connexó

120

unitat 7

1.3. El transport passiu a través de la membrana La doble capa lipídica de la membrana permet el pas de les substàncies apolars com ara els lípids, el nitrogen (N2) i l’oxigen (O2); deixa passar molt lentament les substàncies amb una polaritat baixa, com ara la glucosa, el diòxid de carboni (CO2) i l’aigua (H2O), ja que són molècules petites. Ofereix molta resistència al pas de substàncies fortament polars, com els ions, que sempre estan envoltats de moltes molècules d’aigua. Les proteïnes, en canvi, deixen passar les substàncies polars i poden seleccionar els tipus, les quantitats i els moments en què han de passar. És la denominada permeabilitat selectiva. El pas a través de la membrana té dues modalitats: el transport passiu, que és el que es duu a terme sense despesa d’energia, i el transport actiu, que comporta consum d’energia. El transport passiu és un procés espontani de difusió de substàncies a través de la membrana. Sempre es produeix a favor del gradient, és a dir, des del medi on hi ha més substància cap al medi on n’hi ha menys. Hi ha tres tipus de gradients: el gradient de concentració, que es produeix quan hi ha una diferència de concentracions entre l’interior de la cèl·lula i el medi extern; el gradient elèctric, quan hi ha una diferència de càrregues elèctriques; i el gradient electroquímic, en el cas que hi hagi una diferència de concentració i de càrregues a la vegada.

Difusió simple a través de bicapa molècules transportades Difusió simple a través de canals proteïnes Difusió facilitada a través de permeases

proteïnes

Transport actiu (bomba de NaK)

El transport passiu pot tenir lloc per difusió simple o per difusió facilitada. Difusió simple És el pas de petites molècules a favor del gradient. Aquest transport és més ràpid com més petita sigui la mida de la molècula i més gran sigui la diferència de concentració, és a dir més gran sigui el gradient. La difusió simple es pot dur a terme a través de la bicapa lipídica o a través de canals proteics. • Difusió simple a través de la bicapa. Així hi entren molècules lipídiques com les hormones esteroides, l’èter i el cloroform, substàncies apolars com l’oxigen (O2) i el nitrogen (N2), i molècules dèbilment polars i amb baix pes molecular, com l’aigua, el CO2, i la urea. La difusió de l’aigua rep el nom d’osmosi. • Difusió simple a través de canals. Es fa per mitjà de les anomenades proteïnes de canal. Així entren ions com Na, K, Ca2, Cl, etc. D’aquí prové el terme canals iònics. Les proteïnes de canal són proteïnes transmembranoses amb un canal intern que sol estar tancat. Se’n pot regular l’obertura per voltatge, quan es produeixen variacions en el potencial elèctric de la membrana, o per lligament, quan determinades substàncies, com ara neurotransmissors o hormones, s’uneixen a una regió anomenada receptor de la proteïna de canal, que sofreix una transformació estructural que indueix l’obertura del canal.

energia (ATP)

proteïnes transportadores

Formes de transport a través de la membrana.

Substrat. Susbtància de partida que es transforma mitjançant una reacció metabòlica.

Difusió facilitada És la difusió que es duu a terme gràcies a la intervenció de proteïnes transmembranoses específiques per a cada substrat*, que l’arrosseguen cap a l’interior o cap a l’exterior de la cèl·lula segons sigui el gradient. Són les anomenades proteïnes transportadores o permeases. La difusió facilitada es diferencia de la difusió a través de canals en el fet que té una especificitat més gran, que permet el transport de molècules més grans (com els aminoàcids, la glucosa i la sacarosa) i que no depèn només de la diferència de concentració del substrat, sinó també del grau de saturació de les permeases. Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

Proteïna transportadora

Substrat

Transport per difusió facilitada. 121

H

ATP

1.4. El transport actiu a través de la membrana

H

Aquest tipus de transport el fan determinats tipus de proteïnes de membrana. Comporta consum d’energia, que és aportada per molècules d’ATP, i permet transportar substàncies en contra del gradient electroquímic. Un exemple de transport actiu és la bomba de sodi i potassi.

H

Bomba de protons

H H

La bomba de sodi i de potassi (Naⴙⴚ Kⴙ) és una proteïna transmembranal que bomba Na cap a l’exterior de la cèl·lula i K cap a l’interior.

H Cotransportador

H

H

de sacarosa ⴚHⴙ

Pot actuar contra el gradient gràcies a la seva activitat com a ATP-asa. Per cada molècula d’ATP que trenca obté l’energia per bombar tres Na cap a l’exterior de la cèl·lula i dos K cap a l’interior. A causa d’això, l’exterior de la membrana plasmàtica sempre resulta positiu respecte del costat intern. La diferència de potencial generada s’anomena potencial de membrana.

Citoplasma

Sacarosa

Cotransport de la sacarosa impulsat per la bomba de protons.

El potencial de membrana permet regular l’entrada i la sortida de diferents substàncies per cotransport. Així, substàncies que normalment no poden travessar la membrana plasmàtica, com ara la sacarosa, passen impulsades pel gradient originat pel transport actiu. A més de la bomba de sodi i potassi, hi ha altres casos de transport actiu a través de la membrana, com ara la bomba de calci (Ca2ⴙ) i la bomba de protons (Hⴙ). Na 

Na 

Na

Na

Na Na

Na Na

ATP Citoplasma

Na

P

P

ADP

L’ió sodi entra en la bomba de sodi i potassi. A continuació, l’ATP aporta un fosfat i energia que permet alliberar el sodi al medi.

K K K

K K

Citoplasma

P

P

K

L’ió potassi entra i provoca l’alliberament del fosfat. Aquest canvi permet que el potassi passi a l’interior.

Bomba de sodi i de potassi.

Activitats 3 Explica què és l’osmosi i com es produeix. 4 Quina funció tenen les proteïnes transportadores o permeases? 5 En què consisteix la bomba de sodi i de potassi? Per què permet el transport de substàncies en contra del gradient electroquímic?

122

unitat 7

A FONS L’impuls nerviós

Dendrites

Les neurones reben i transmeten senyals per mitjà d’impulsos nerviosos, que es produeixen com a conseqüència de canvis en la membrana plasmàtica de la neurona. Els impulsos nerviosos sempre viatgen en el mateix sentit: es generen en una dendrita com si fossin ones elèctriques, recorren tota la neurona i surten per l’axó. El potencial de membrana és el que permet la transmissió de l’impuls nerviós: 1. El potencial de membrana o potencial de repòs. Potencial de repòs Les bombes de sodi i de potassi bomben més Na a l’exterior que K a l’interior. A causa d’això l’exterior de la membrana és més positiu que l’interior. En les neurones la diferència de potencial és de 70 mil·livolts, és a dir, l’interior és 70 mil·livolts més negatiu que l’exterior. K 2. El potencial d’acció. Quan una zona d’una neurona és excitada per un estímul s’obren Potencial d’acció els canals de sodi i entra una mínima quantitat d’ió sodi (Na), però això és suficient perquè es torni molt positiu. Concretament s’arriba a 40 mil·livolts, és a dir l’interior és 40 mil·livolts més positiu que l’exterior. Aquest potencial invertit s’anomena potencial d’acció i el procés seguit K es diu despolarització de la membrana. 3. La propagació del potencial d’acció o impuls nerviós. Quan es produeix un potencial d’acció Repolarització en un canal de sodi, en la zona anterior a ell, de seguida s’obren els canals de potassi, surt una mínima quantitat d’ió potassi (K) i aquesta zona es repolaritza, és a dir, torna a presentar el potencial de repòs. Posteriorment la bomba de sodi i potassi acaba d’ajustar les concentracions K iòniques internes normals. Na

Na Potencial d’acció

Zona que es despolaritzarà Na

Potencial de repòs



Na

K Na K

Na 

Na

Na

Na

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

Cos cel·lular

Axó Neurona.

Na Na Na

P

70 mV

Na Na Na

P

40 mV

Na Na



Na

P

70 mV

En la zona posterior al canal de sodi, els ions Na que han entrat es desplacen dintre de la neurona a l’àrea adjacent que encara és negativa i la fan menys negativa, la despolaritzen una mica i això provoca l’obertura dels canals de sodi allí existents, ja que estan regulats per voltatge. Entren ions Na i fan el mateix que abans, és a dir, es desplacen dintre de la neurona a l’àrea adjacent, la fan menys negativa i provoquen l’obertura dels canals de sodi allí existents. Així, el potencial d’acció es transmet al llarg de tota la neurona. Aquesta transmissió és l’impuls nerviós. Segons el gruix de l’axó i la temperatura, la velocitat pot ser d’1 a 120 m/s. Quan l’axó està envoltat per les cèl·lules de Schwann que formen la beina de mielina, com passa en les fibres nervioses grans dels vertebrats, la velocitat és més alta (fins a 200 m/s) perquè el potencial d’acció només té lloc en els espais entre aquestes cèl·lules, els anomenats nòduls de Ranvier. L’impuls nerviós segueix un desplaçament a salts.

123

A FONS La connexió entre neurones o sinapsi La zona de connexió entre les neurones s’anomena sinapsi. Les neurones no estan en contacte entre si, sinó que entre una neurona i la següent hi ha un espai extraordinàriament petit anomenat fenedura sinàptica. Normalment, les sinapsis s’estableixen entre les branques terminals de l’axó d’una neurona (neurona presinàptica) i les dendrites o el cos cel·lular d’una altra neurona (neurona postsinàptica). La transmissió de l’impuls nerviós a través de la sinapsi es duu a terme per mitjà d’unes substàncies químiques anomenades neurotransmissors. Són neurotransmissors l’acetilcolina, la noradrenalina, la serotonina, la dopamina, el GABA, etc. Quan l’impuls nerviós arriba a l’extrem de la neurona presinàptica (l’anomenat botó sinàptic) provoca l’entrada de l’ió calci (Ca2+) i això provoca la fusió de les vesícules que contenen neurotransmissors amb la membrana plasmàtica i l’alliberament a la fenedura sinàptica.

Cèl·lula de Schwann amb mielina

Axó. És una prolongació llarga que surt del cos cel·lular i que en alguns casos es ramifica per l’extrem terminal. L’axó d’algunes neurones està recobert per una substància anomenada mielina, que té una funció aïllant i facilita la transmissió de l’impuls nerviós.

Cos cel·lular. Conté el nucli i la majoria dels orgànuls de la cèl·lula.

Dendrites. Són prolongacions curtes i molt ramificades del cos cel·lular.

Els neurotransmissors travessen la fenedura sinàptica i són captats pels receptors específics de membrana de la neurona postsinàptica. Segons el tipus de neurotransmissor, poden produirse dos efectes diferents: • Una despolarització suficient per excitar els canals de sodi i així iniciar un impuls nerviós. Ho fan els excitadors, com generalment fa l’acetilcolina. • Una hiperpolarització més gran de la membrana. Ho fan els inhibidors, com generalment fa el GABA.

Neurona presinàptica Espai sinàptic

1. Què és el potencial de membrana? I el potencial de repòs? 2. Quina és la diferència de potencial entre l’interior i l’exterior de la membrana plasmàtica, en cada un dels casos anteriors? 3. Defineix sinapsi. 4. Anomena un neurotransmissor. Busca informació sobre la funció que fa i explica-la.

124

Neurona postsinàptica

Neurotransmissors

unitat 7

1.5. L’exocitosi i l’endocitosi

Exocitosi

La cèl·lula no pot introduir a dins seu estructures gaire grans (macromolècules, virus, bacteris, etc.) sense fer malbé la membrana plasmàtica. Per això presenta mecanismes de formació de vesícules membranoses que engloben aquestes estructures. Segons el sentit cap a on les desplacen es diferencien dos tipus de processos: l’exocitosi i l’endocitosi. • Exocitosi. És l’expulsió de macromolècules i altres substàncies a fora de la cèl·lula mitjançant la fusió de la membrana de la vesícula que les conté amb la membrana plasmàtica. • Endocitosi. És l’entrada a la cèl·lula de macromolècules i altres substàncies externes gràcies a la formació de vesícules membranoses que les contenen. Quan s’inicia l’endocitosi, es forma una xarxa de clatrina (proteïna filamentosa) que envolta i arrossega un sector de membrana plasmàtica. La xarxa de clatrina es tanca sobre si mateixa i forma una vesícula. Posteriorment, les molècules de clatrina abandonen la vesícula i tornen a la membrana plasmàtica. Algunes molècules externes, quan s’uneixen amb receptors específics de la membrana plasmàtica, també indueixen la formació de vesícules que les engloben.

Endocitosi

Gemmació

L’endocitosi pot ser de dos tipus: • Pinocitosi. La cèl·lula ingereix líquids i substàncies dissoltes que emmagatzema en petites vesícules. • Fagocitosi. La cèl·lula ingereix partícules grans de nutrients, o fins i tot microorganismes, a l’interior d’una gran vesícula (endosoma). Les cèl·lules fan la fagocitosi per obtenir aliment de l’exterior. A l’endosoma s’uneixen els lisosomes, que contenen enzims digestius, i s’origina un vacúol digestiu. Un mecanisme similar als anteriors és la gemmació, que consisteix en la formació de vesícules, amb substàncies específiques, en el reticle endoplasmàtic i en l’aparell de Golgi. Aquestes vesícules poden integrar-se en altres orgànuls o buidar-se a l’exterior.

Mecanismes d’endocitosi.

Activitats 6 Explica raonadament quin tipus de transport, a través de la membrana, tenen les molècules següents:

8 La fotografia mostra una ameba (protozou) capturant l’aliment. Quin sistema de captura utilitza?

• Molècules apolars com el O2, el N2 i els isoprenoides. • Molècules petites polars però sense càrrega com el H2O, el CO2 i el glicerol.

• Cations com K i Na. • Anions com Cl i CO32. • Macromolècules. 7 Defineix els conceptes següents:

• Exocitosi

• Pinocitosi

• Vacúol digestiu

• Gemmació

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

125

2 Les membranes de secreció Totes les cèl·lules tenen membrana plasmàtica. Moltes cèl·lules, a més, presenten una segona membrana anomenada membrana de secreció. La membrana de secreció està formada per substàncies secretades per la cèl·lula que es dipositen a la superfície externa de la membrana plasmàtica. Les membranes de secreció uneixen les cèl·lules dels teixits entre si. La membrana de secreció de les cèl·lules animals rep el nom de matriu extracel·lular. Les cèl·lules vegetals també tenen una membrana de secreció, que és rígida, de cel·lulosa, i que rep el nom de paret cel·lular.

2.1. La matriu extracel·lular

La paret bacteriana és una membrana de secreció pròpia dels bacteris.

Col·lagen

Cara interna de la membrana plasmàtica

Matriu extracel·lular, en contacte amb la membrana plasmàtica.

126

La matriu extracel·lular és la membrana de secreció pròpia de les cèl·lules dels teixits animals. Les seves funcions són: servir com a nexe d’unió, omplir els espais intercel·lulars i donar consistència als teixits i els òrgans. Donada la seva consistència, la matriu extracel·lular condiciona la forma, el desenvolupament i la proliferació de les cèl·lules que engloba. Està composta per una fina xarxa de fibres proteiques (col·lagen, elastina i fibronectina) immerses en una estructura gelatinosa de glicoproteïnes hidratades, l’anomenada substància fonamental amorfa. Substància fonamental amorfa

La matriu extracel·lular té l’estructura següent:

• El col·lagen és una proteïna filamentosa formada per tres cadenes que formen una triple hèlix. Proporciona estructura, resistència i consistència a la matriu extracel·lular. • L’elastina és una proteïna filamentosa que es comporta com una goma elàstica en cas de tracció. Proporciona elasticitat a la matriu extracel·lular. • La fibronectina és una glicoproteïna que forma una trama Fibronectina de filaments amb funció adherent. Proporciona adhesió entre les cèl·lules, i entre les cèl·lules i les fibres de col·lagen. • La substància fonamental amorfa està constituïda per proteoglicans, unes molècules molt grans, que pertanyen al grup dels glúcids. Estan constituïts per una llarga cadena d’àcid hialurònic, a la qual s’uneixen moltes proteïnes filaCara externa de la membrana mentoses com si fossin branques. A cadascun d’aquests fiplasmàtica laments proteics també s’associen, com si fossin branques, moltes cadenes glucídiques anomenades glicosaminglicans. Aquestes estructures són molt hidròfiles i retenen molta aiCitoplasma gua i ions. La matriu extracel·lular manté unides les cèl·lules que formen teixits, i els teixits, que formen òrgans. Les fibres proteiques donen consistència, elasticitat i resistència a la tracció dels teixits. Gràcies a l’aigua retinguda per la substància fonamental amorfa, la matriu extracel·lular ofereix resistència a la compressió. Els proteoglicans formen gels amb una determinada mida de malla, i això permet la migració cel·lular a través seu, la difusió de molècules hidrosolubles i la filtració selectiva. A més, la matriu extracel·lular permet la migració de cèl·lules i influeix en la disposició en l’espai de les cèl·lules englobades. La matriu extracel·lular és especialment abundant en els teixits de tipus connectiu, com el conjuntiu i el cartilaginós; i pot acumular dipòsits de fosfat càlcic, com passa en el teixit ossi; de quitina, com passa en l’exosquelet d’artròpodes, i de sílice, com s’esdevé en les esponges silícies. unitat 7

2.2. La paret cel·lular La paret cel·lular és una coberta gruixuda i rígida que envolta les cèl·lules vegetals. El component més abundant i característic n’és la cel·lulosa. La secreta la cèl·lula i es disposa formant capes successives: làmina mitjana, paret primària i finalment paret secundària. Constitueix un exosquelet que perdura després de la mort de la cèl·lula, per la qual cosa serveix com a teixit de sustentació a moltes plantes, fet que els permet assolir una gran alçària. La paret cel·lular està formada per una xarxa de fibres de cellulosa i una matriu, en la qual hi ha aigua, sals minerals, hemicel·lulosa i pectina (substància amb una gran capacitat per retenir l’aigua). La matriu es pot impregnar de lignina, suberina, cutina, tanins i substàncies minerals, com el carbonat càlcic i la sílice.

Paret cel·lular

• La lignina confereix rigidesa a la paret cel·lular. És molt abundant en teixits esquelètics, com el teixit conductor llenyós que genera el tronc dels arbres. • La suberina i la cutina impermeabilitzen les parets de les cèl·lules que formen els teixits protectors. Així, la suberina es troba a l’escorça (súber) dels arbres, i la cutina, a l’epidermis de les fulles i les tiges. • El carbonat càlcic i la sílice donen rigidesa a l’epidermis de moltes fulles (mineralització).

Cèl·lules vegetals.

La paret cel·lular té la funció de donar forma i rigidesa a la cèl·lula, de manera que n’impedeix la ruptura. La cèl·lula vegetal conté al citoplasma una elevada concentració de soluts que, a causa de la pressió osmòtica, originen un corrent d’aigua cap a l’interior cel·lular. Si no fos per la paret cel·lular, la cèl·lula s’inflaria i al final es trencaria. Activitats 9 Per què les cèl·lules vegetals necessiten una elevada pressió osmòtica?

14 Quin tipus d’unió intercel·lular està representada en la foto? Es produeix a nivell de membrana o de paret cel·lular?

10 Què és la fusta? 11 Totes les cèl·lules dels vegetals tenen paret cel·lular? 12 Per què la matriu extracel·lular reté una gran quantitat d’aigua? 13 Esmenta alguns teixits en què la matriu extracel·lular sigui abundant. Tenen matriu cel·lular els teixits vegetals?

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

127

3 El citoplasma El citoplasma és l’espai cel·lular comprès entre la membrana plasmàtica i l’embolcall nuclear. Està constituït pel citosol, el citosquelet i els orgànuls cel·lulars.

3.1. El citosol El citosol, que també s’anomena hialoplasma, és el medi intern del citoplasma. Està delimitat pel sistema membranós cel·lular, és a dir, ocupa l’espai situat entre la membrana plasmàtica, l’embolcall nuclear i les membranes dels diferents orgànuls. En el citosol es troben immersos el citosquelet i els ribosomes. El citosol és un medi aquós, amb un 85 % d’aigua, en el qual hi ha dissoltes una gran quantitat de molècules que formen una dispersió col·loïdal* que pot passar de sol a gel i a l’inrevés. Aquestes molècules són: pròtids (aminoàcids, enzims, proteïnes estructurals, etc.), lípids, glúcids (polisacàrids, monosacàrids, etcètera), àcids nucleics (RNAt i RNAm), nucleòtids (com l’ATP), nucleòsids, productes del metabolisme i sals minerals dissoltes.

Grànuls de glicogen.

En el citosol hi ha un alt contingut d’enzims i, per tant, s’hi produeix un elevat nombre de reaccions metabòliques, com ara la glicòlisi, la gliconeogènesi, la hidròlisi dels greixos, la fermentació làctica, etc. A més, en el citosol s’estructura una elaborada xarxa de filaments i túbuls proteics que constitueixen el citosquelet fibrós, i s’hi troben un elevat nombre de macromolècules amb funció de reserva energètica, en forma de grànuls, anomenades inclusions, que no estan envoltades de membrana. Per exemple, els grànuls de glicogen i les gotes lipídiques.

3.2. El citosquelet Dispersió col·loidal. Sistema compost per un fluid, anomenat medi dispersant, i per partícules sòlides d’elevat pes molecular, anomenades partícules disperses. Aquestes partícules poden ser macromolècules o micel·les de moltes molècules de baix pes molecular.

El citosquelet es troba en totes les cèl·lules eucariotes. El citosquelet és una xarxa de filaments proteics que constitueixen una bastida interna de la cèl·lula amb funció esquelètica. Es troba a totes les cèl·lules. Es diferencien tres tipus de filaments que, de més prims a més gruixuts, són: els microfilaments, els filaments intermedis i els microtúbuls.

Pseudòpode. Prolongació emesa per una cèl·lula ameboide que li permet traslladar-se i atrapar els aliments.



Tubulina

Monòmer d’actina

A més, hi intervé un elevat nombre de petites proteïnes associades que uneixen els filaments entre si i amb el sistema membranós cel·lular. Les funcions del citosquelet són: • Mantenir la forma de la cèl·lula i, quan és necessari, canviar aquesta forma. • Possibilitar el desplaçament de la cèl·lula per emissió de pseudòpodes*.

Principals filaments que formen el citosquelet. 128

70 Å

150 Å

Microfilament

Filament intermedi

• Fer la contracció de les cèl·lules musculars. Microtúbul 250 Å

• Transportar i organitzar els orgànuls en el citoplasma. unitat 7

Els microfilaments Els microfilaments són bàsicament filaments d’actina. Són els components més importants del citosquelet. En les cèl·lules musculars els filaments d’actina estan associats a altres microfilaments, els de miosina, amb els quals formen estructures contràctils. • Els microfilaments d’actina estan constituïts per dues cadenes de molècules d’actina, enrotllades entre si en forma d’hèlix. • Els microfilaments de miosina estan formats per dues cadenes polipeptídiques associades entre si. Els filaments gruixuts són feixos de microfilaments de miosina.

Teixit muscular esquelètic.

Les principals funcions dels microfilaments són: • Mantenir la forma de la cèl·lula. Constitueixen una estructura reticular densa, el còrtex, que se situa sota la membrana plasmàtica i dóna forma a la cèl·lula, de manera que permet un cert grau d’elasticitat. • Generar l’emissió dels pseudòpodes. Aquests possibiliten el desplaçament cel·lular i la fagocitosi. Aquestes deformacions citoplasmàtiques s’inicien quan es desfà el còrtex i es produeix el creixement de fibres d’actina a favor de l’avanç del pseudòpode. • Generar i estabilitzar les prolongacions citoplasmàtiques. Per exemple, les microvellositats de les cèl·lules de l’epiteli intestinal. Es tracta d’unes prolongacions del citoplasma que se sostenen gràcies a una estructura interna constituïda per feixos de filaments d’actina associats a molècules d’altres proteïnes. • Possibilitar el moviment contràctil de les cèl·lules musculars. Per fer-ho, els filaments de miosina provoquen l’aproximació dels microfilaments d’actina, amb despesa d’energia (ATP), amb la qual cosa s’escurcen les miofibril·les i, per tant, la cèl·lula muscular que les conté. Els filaments intermedis Els filaments intermedis són els que presenten un gruix intermedi entre els microfilaments i els microtúbuls. Estan constituïts per proteïnes filamentoses. Els tipus més importants són:

Activitats

• Els neurofilaments. Es troben en els axons de les neurones. • Els tonofilaments o filaments de queratina. Es troben a les cèl·lules epitelials, especialment en els desmosomes. Les cèl·lules superficials de la pell, abans de morir, sofreixen un fort procés de queratinització. Exemples d’estructures riques en filaments de queratina són la pell, les ungles i els cabells. • Els filaments de vimentina. Són molt abundants en el teixit conjuntiu. • Els filaments de desmina. Són molt abundants en les cèl·lules musculars.

15 Quins avantatges representa per a la cèl·lula el fet que el citosol estigui format principalment per aigua?

Els filaments intermedis exerceixen funció estructural. Per això es troben en cèllules que estan sotmeses a esforços mecànics, com ara les cèl·lules epitelials, les cèl·lules musculars de tipus llis, els axons de les neurones, etc.

17 Resumeix en un esquema de claus la composició del citoplasma.

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

16 En quins teixits abunden els filaments intermedis? I els microfilaments? Quina funció tenen?

129

Els microtúbuls Els microtúbuls són filaments tubulars constituïts per molècules de naturalesa proteica, la tubulina. S’originen a partir del centre organitzador de microtúbuls, que en les cèl·lules animals es troba en el material pericentriolar del centrosoma, i en les cèl·lules vegetals, en el material refringent del centrosoma. Els microtúbuls poden formar estructures estables, com els centríols i els seus derivats, els cilis i flagels, i estructures de curta durada com el fus acromàtic, els pseudòpodes i el citosquelet. Els microtúbuls tenen les funcions següents: • Intervenen en el moviment de la cèl·lula. Són els principals elements estructurals dels cilis i els flagels i, juntament amb els microfilaments d’actina, participen en l’emissió de prolongacions citoplasmàtiques o pseudòpodes. • Serveixen de base per estructurar el citosquelet. Donada la seva mida, són els components més importants del citosquelet de les cèl·lules eucariotes. • Determinen la forma de la cèl·lula. Per exemple, les estructures cel·lulars allargades, com ara els axons de les neurones, són degudes a un eix de microtúbuls. • Organitzen la distribució interna dels orgànuls. S’ha observat el transport d’alguns orgànuls, com ara vesícules, vacúols, mitocondris i cloroplasts, al llarg dels microtúbuls del citosquelet. També s’ha comprovat la immobilització del reticle endoplasmàtic i del complex de Golgi, a causa de l’acció de microtúbuls. • Mobilitzen els cromosomes. Durant la divisió cel·lular es forma el fus acromàtic o fus mitòtic, format per microtúbuls, que s’encarrega de moure els cromosomes a fi de repartir-los entre les futures cèl·lules filles.

A FONS El moviment contràctil del teixit muscular estriat

Miofibril·la

Línia Z

Les fibres musculars estriades són cèl·lules Banda clara allargades que poden arribar a assolir fins Banda I a 30 centímetres de longitud. Aquestes Banda grans cèl·lules presenten diversos nuclis fosca a la perifèria, un reticle endoplasmàtic molt desenvolupat (anomenat reticle sarcoplasmàtic) i un gran nombre de miofibril·les que es disposen Banda H Banda A longitudinalment al llarg de la cèl·lula i que presenten bandes transversals clares i fosques alternades. Per aquesta raó es parla de teixit muscular estriat. La banda més fosca rep el nom de banda A, Banda I està formada per molècules de miosina Miofibril·la i d’actina i té una zona intermèdia més clara Línia Z o banda H. La banda més clara rep el nom Cèl·lula muscular Sarcòmers Filaments fins de banda I, està formada només per actina estriada d’actina i presenta a la meitat una línia fosca o línia Z. El sector de la miofibril·la situat entre dues línies Z rep el nom de sarcòmer. Quan arriba un impuls nerviós s’allibera el neurotransmissor acetilcolina, que provoca que el reticle endoplasmàtic (sarcoplasmàtic) alliberi Ca2 al citosol. Aquests ions provoquen que unes proteïnes especials anomenades tropomiosines es moguin i deixin al descobert els llocs dels filaments d’actina als quals es poden unir les molècules de miosina. La miosina és una proteïna allargada que presenta un cap que es pot moure cap endavant i cap endarrere com el rem d’una barca. Primer, el cap de la miosina, gràcies al consum d’ATP, es desplaça cap endavant i es fixa en un lloc més avançat del filament d’actina. Després, el cap de miosina recupera la seva forma retreta i d’aquesta manera fa avançar el filament de miosina sobre el filament d’actina. Això passa en totes les miosines i en els dos extrems dels filaments de miosines. D’aquesta manera s’aconsegueix un escurçament de la longitud del sarcòmer i, per tant, de la miofibril·la, de la fibra muscular i del múscul.

130

unitat 7

4 El centrosoma El centrosoma, citocentre o centre cel·lular és un orgànul que es troba al citoplasma, proper al nucli i que contè el centre organitzador de microtúbuls (COM). Observat al microscopi òptic apareix com una matèria clara i birefringent. El centrosoma és considerat un centre dinàmic de la cèl·lula, ja que els microtúbuls generats intervenen tant en moviments interns de la cèl·lula (per exemple, constitueixen el fus acromàtic) com en moviments externs (constitueixen els cilis i els flagels). Es distingeixen dos tipus de centrosomes, els que presenten centríols a l’interior i els que no en presenten. • El centrosoma amb centríols es troba a les cèl·lules de les algues, els protozous i els animals. • El centrosoma sense centríols es troba a les cèl·lules dels fongs i les angiospermes. No té límits ben definits i simplement és una zona del citoplasma engruixida i clara. Quan dos d’aquests centrosomes participen en la repartició dels cromosomes reben el nom de casquets polars. Encara que no tenen centríols, a partir d’ells es formen els microtúbuls del fus acromàtic.

Fus acromàtic. Centrosoma sense centríols ni àster d’una cèl·lula vegetal.

4.1. Estructura i funció del centrosoma amb centríols A l’interior del centrosoma hi ha el diplosoma, format per dos centríols disposats perpendicularment entre si. El diplosoma està immers en un material dens òpticament, el material pericentriolar, que és el centre organitzador de microtúbuls, on s’organitzen una sèrie de microtúbuls que parteixen radialment i que reben el nom d’àster. Cada centríol consta de nou grups de tres microtúbuls o triplets que es disposen formant un cilindre, una estructura que es manté gràcies a les proteïnes que uneixen els triplets entre si de manera que formen els anomenats ponts. El material pericentriolar és un centre organitzador de microtúbuls (COM). Per tant, deriven del centrosoma totes les estructures constituïdes per microtúbuls, com ara els cilis i els flagels (undulipodis), encarregats del desplaçament cel·lular: el fus acromàtic, encarregat de la separació dels cromosomes durant la divisió cel·lular, i l’estructura del citosquelet, els filaments del qual s’organitzen al voltant dels microtúbuls.

Centrosoma amb centríols.

Activitats 18 Dibuixa un centrosoma amb centríols i assenyala’n els components. 19 Per què diem que el centrosoma és un centre organitzador de microtúbuls? 20 Esmenta un exemple d’estructura constituïda per microtúbuls, originada pel centrosoma. 21 Quina diferència hi ha entre el centrosoma amb centríols i el centrosoma sense centríols?

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

131

5 Els cilis i els flagels

Doblets externs

Hialoplasma Doblet extern

Pont

(

(

Membrana plasmàtica

Cili

6 7

(

( (

5

Parell central

4

Microtúbul A

(

(

Zona de transició

Microtúbul B

8 3 2

Fibres radials

9 1

Braços

Placa basal

Beina Fibra de transició Triplet

(

Cinetosoma

Pont

Microtúbul A Microtúbul B Microtúbul C

Triplet

(

Làmina radial

(

(

Eix tubular

Triplets Tall longitudinal

Microtúbul A Microtúbul B Microtúbul C Talls transversals

Estructura d’un undulipodi.

Els cilis i els flagels (undulipodis) són prolongacions citoplasmàtiques mòbils, situades a la superfície cel·lular i que presenten una estructura interna formada per 9 doblets de microtúbuls i 2 microtúbuls centrals (l’anomenada estructura 9  2). • Els cilis presenten un diàmetre de 0,2 μm i una longitud que oscil·la entre les 5 μm i les 10 μm. Se’ n solen trobar en gran nombre recobrint la superfície cellular. • Els flagels tenen un diàmetre de 0,2 μm i una longitud de 100 μm. El nombre de flagels és escàs, generalment un o dos. Es troben en algunes cèl·lules, com els espermatozoides i els protozous flagel·lats. En un undulipodi es distingeixen quatre parts, anomenades arrel, corpuscle basal, zona de transició i tija. • Arrel. És un conjunt de microfilaments de funció contràctil. • Corpuscle basal o cinetosoma. Presenta dues zones: la inferior o proximal, en la qual hi ha un eix central proteic d’on surten radialment proteïnes cap als 9 triplets de la perifèria (aquesta estructura s’anomena roda de carro) i la superior o distal, que és idèntica a un centríol. A partir de la zona distal s’organitzen els microtúbuls que constitueixen l’axonema. • Zona de transició. És la zona que ja no presenta triplets, sinó doblets, com la tija, però a diferència d’aquesta no té microtúbuls centrals ni està envoltada de membrana plasmàtica ja que està situada dintre del citoplasma. • Tija. Presenta un eix intern anomenat axonema, format per dos microtúbuls centrals i un sistema de nou parells de microtúbuls perifèrics, una matriu i medi intern, i una membrana plasmàtica que el recobreix.

Els microtúbuls estan units a molècules proteiques. Entre elles hi ha la nexina, que uneix els doblets perifèrics entre si i manté la disposició cilíndrica de l’axonema, les fibres radials que uneixen els doblets perifèrics amb la beina que envolta el dos microtúbuls centrals, i la dineïna que, gràcies a la seva funció ATPasa, permet el moviment entre els diferents grups de microtúbuls i origina el moviment de l’undulipodi. La funció dels undulipodis és aconseguir el desplaçament de la cèl·lula i, en el cas dels cilis, crear-hi turbulències al voltant per atraure l’aliment, com passa en els protozous ciliats, o desplaçar substàncies externes, com passa en l’epiteli traqueal. Activitats 22 Explica raonadament a quin sector d’un flagel correspon la fotografia. 23 Quines diferències hi ha entre els cilis i els flagels?

Protozou ciliat. 132

unitat 7

6 Els ribosomes Els ribosomes són unes estructures globulars, mancades de membrana, de textura porosa, que estan constituïdes per diversos tipus de proteïnes associades a àcids ribonucleics ribosòmics (RNAr) procedents del nuclèol. Es poden trobar dispersos al citosol o adherits a la membrana del reticle endoplasmàtic rugós, gràcies a unes proteïnes, les riboforines, que en possibiliten l’ancoratge. Cada ribosoma conté un 80 % d’aigua, un 10 % d’RNAr i un 10 % de proteïnes (en pes sec contenen un 50 % d’RNAr i un 50 % de proteïnes). Els ribosomes estan constituïts per dues parts: una subunitat petita, i una subunitat gran. En el citoplasma les dues subunitats es troben separades i únicament s’uneixen durant el procés de síntesi de proteïnes. Els ribosomes duen a terme la síntesi de les proteïnes: • L’ RNAm s’uneix a la subunitat petita del ribosoma i, posteriorment, a la subunitat gran, i així s’inicia la traducció del missatge de l’RNAm i es comença a formar una proteïna. • Un cop acabada la síntesi de la proteïna, les dues subunitats se separen. Les molècules d’RNAm són llegides, generalment, per una sèrie de 5 a 40 ribosomes, distanciats entre si uns 100 Å. Aquesta mena de collarets reben el nom de poliribosomes o polisomes.

Activitats 24 On es troben els ribosomes? 25 En quin moment i amb quina finalitat s’uneixen la subunitat gran amb la petita?

Ribosoma de cèl·lula eucariota (80 S) 240 Å

200 Å

• RNAr (28 S) • RNAr (5 S) • RNAr (5,8 S) • 45 proteïnes globulars

RNA missatger

→

→ Subunitat gran (65 S)

Subunitat petita (40 S) • RNAr (18 S) • 33 proteïnes globulars

Cadenes polipeptídiques en creixement

Estructura i composició del ribosoma d’una cèl·lula eucariota. Els ribosomes tenen uns 200 Å de diàmetre, i una velocitat de sedimentació de 80 S. La subunitat petita sedimenta a valors de 40 S, i la subunitat gran té una velocitat de sedimentació de 65 S.

Cadena polipeptídica acabada

Codó iniciador

65 S 65 S UAG

3'

G AU

40 S

5'

Sentit de la traducció de l’RNAm 40 S Codó d’acabament

Dissociació del ribosoma

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

Formació d’un polisoma en què una molècula d’RNAm és traduïda simultàniament per diversos ribosomes. 133

Activitats 26 Observa aquest esquema d’una membrana plasmàtica.

29 Explica com es produeix l’endocitosi i esmenta les estructures cel·lulars que hi intervenen.

a) Raona quina n’és la cara externa. b) Quin tipus de molècules hi ha assenyalades? 2

Membrana

→

1

Sistema reticular de clatrina

→

→ 4→

→

5

3

27 El dibuix representa una membrana plasmàtica. Situa els elements següents: fosfolípid, glicoproteïna, colesterol, proteïna perifèrica, glicolípid, proteïna integral o intrínseca, proteïna transmembranosa, proteïna perifèrica o extrínseca. Quina és la part interna de la cèl·lula? I l’externa?

30 Relaciona les substàncies de la columna de l’esquerra amb els sistemes de transport que surten esmentats en la columna de la dreta. 1. Líquids extracel·lulars

a) Fagocitosi

2. Nitrogen

b) Transport actiu



3. Na

c) Difusió facilitada

4. Glucosa

d) Pinocitosi

5. Proteïnes d’elevat pes molecular

e) Difusió simple

31 Seria correcte dir que els vegetals en realitat són una sola cèl·lula amb molts nuclis, parcialment envoltats d’una part de citoplasma? Justifica la resposta. 32 Relaciona les definicions de la columna de l’esquerra amb els termes de la columna de la dreta. 28 Observa el dibuix i respon les preguntes. a) Es tracta d’un tipus de transport actiu o passiu? b) Es produeix a favor de gradient o en contra de gradient? c) Com s’anomena el procés i quina mena de substàncies es transporten a l’interior de la cèl·lula? d) Explica cadascuna de les fases que s’han representat.

134

Definicions 1. Microtúbuls i filaments que constitueixen l’estructura interna cel·lular. 2. Làmina prima que delimita la cèl·lula i permet el pas de substàncies. 3. Estructura formada per una membrana que envolta substàncies secretades a l’exterior. 4. Estructura formada per una membrana que envolta substàncies captades de l’exterior. 5. Successió lineal de ribosomes. 6. Estructura proteica molt gruixuda d’unió entre cèl·lules epitelials reforçada per fibres de queratina. 7. Estructura constituïda per dos centríols. 8. Estructura filamentosa que mou els cromosomes. 9. Estructura filamentosa present a l’interior de l’axó. 10. Estructura filamentosa present a l’interior de les microvellositats.

Termes a) Estructura d’actina b) Vesícula de secreció c) Desmosoma

d) Vesícula endocítica e) Citosquelet f) Membrana plasmàtica g) Diplosoma h) Filament intermedi i) Polisoma j) Microtúbuls

unitat 7

33 En una cèl·lula en què s’han destruït les bombes de sodi i de potassi hi ha les concentracions d’ió sodi i d’ió potassi que figuren en la taula. a) Que passarà a les concentracions d’aquests ions? b) Quin tipus de transport seguiran?

www 36 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació per a batxillerat, i fes les activitats interactives següents:

Concentració al medi extracel·lular

Concentració al citoplasma

Na

150 mM

10 mM

6. La membrana plasmática.



5 mM

130 mM

7. La matriz extracelular.

Ió

K

5. Envolturas celulares.

8. Estructura del centrosoma y derivados centriolares.

34 Per què la doble capa lipídica és un bon aïllant elèctric? Per què, malgrat això, la membrana plasmàtica possibilita la transmissió d’un impuls elèctric com és l’impuls nerviós? Es podria fer sense la bicapa lipídica?

http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/profesor/index.htm 37 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació per a batxillerat, i fes les activitats interactives següents:

35 Descriu les diferències entre els cilis i els flagels referint-te a cadascuna de les cinc zones següents: • L’arrel • El corpuscle basal distal • La tija

5. Las uniones celulares. 6. El citoesqueleto.

• El corpuscle basal proximal • La zona de transició

http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/profesor/index.htm

Interpretació de dades 38 Oberva les imatges següents i respon les preguntes. a

b

c

d

a) Han estat obtingudes amb el microscopi electrònic o amb el microscopi òptic? Com pots saber-ho? b) Indica quin títol d’entre els següents correspon a cada fotografia. • • • •

Desmosoma. Vesícules de secreció. Microtúbuls i centríol. Glicocàlix de la membrana plasmàtica.

c) Explica en què t’has fixat per identificar els elements de les fotografies.

Membranes cel·lulars i orgànuls no delimitats per membranes

135

Laboratori Observació de cèl·lules vives amb el microscopi òptic Material: flascó de 500 ml, gots petits, compressor d’aire dels utilitzats en els aquaris, tub de plàstic amb difusor dels utilitzats en els aquaris, comptagotes, portaobjectes i cobreobjectes, termòmetre, bisturí o fuIla d’afaitar, pinces fines, aguIles emmanegades, microscopi òptic. Productes químics: aigua mineral sense clor ni gas, llum de taula; dissolució diluïda de colorants vitals (com vermell neutre o blau de metilè), glicerina, laca d’ungles. Productes naturals: aigua recollida de diferents bassals, de fonts de la ciutat, de rius i rierols i de llacunes salobres amb abundant presència d’algues; aigua obtinguda per infusió de fulles seques en aigua mineral; una ceba; mongeta seca, grans d’arròs. Observació d’organimes unicel·lulars Per obtenir protozous i algues unicel·lulars cal recollir aigua d’un toll, o bé fer una infusió de diverses fulles seques en un recipient amb aigua mineral sense clor. És fonamental no recollir només aigua sinó també detritus, fullaraca del fons, algues adherides al fons o a les parets, etc. Si el volum recollit és d’un litre o més, convé posar un difusor d’aire comprimit del tipus que s’utilitza en els aquaris. Posa-hi un tros de mongeta seca o uns grans d’arròs, que serveixin d’aliment als bacteris que de seguida es multipliquen i constitueixen l’aliment dels protozous.

Flagelat: Vorticella.

Un altre mètode d’obtenir amebes és fer una infusió amb fulles i palla i deixar-Ia a I’aire lliure a una temperatura entre 25 i 30ºC. Al cap de tres setmanes es forma sobre la superfície un tel, constituït sobretot per bacteris. Amb un portaobjectes es pot «pescar» un bocí d’aquest tel i fer-ne una observació amb el microscopi. Observació de l’epidermis de la ceba

Cal deixar l’aigua en un lloc càlid i il·luminat i esperar uns quants dies. N’hi ha prou d’encendre un llum de taula, que proporcionarà llum i calor durant tot el dia i tota la nit. Cal que la temperatura sigui d’uns 25ºC. Amb una pipeta o amb un comptagotes, agafa aigua i una mica dels detritus que formen el pòsit i posa’n dues gotes sobre un portaobjectes, procurant que hi hagi també detritus. Tapa-ho amb un cobreobjectes, amb paper de filtre eixuga l’aigua sobrant i observa-ho al microscopi. 1. Observació de ciliats. Generalment, els ciliats més abundants són els paramecis, que tenen forma d’espardenya. Si es mouen massa de pressa, posa uns quants filets de cotó a la preparació per tal d’impedir-los els moviments. També en pots alentir el moviment fent més espès el medi amb una gota de gelatina al 3 % o de goma aràbiga. També els pots narcotitzar situant prop de la gota que conté les cèl·lules un paper de filtre amb èter, xilè o cloroform. Per obtenir més precisió en l’observació microscòpica sense matar els organismes, cal utilitzar colorants vitals, com ara vermell neutre o blau de metilè, molt diluïts (d’1/1.000 a 1/10.000). Si has agafat algun bri, és possible que hi puguis veure fixades vorticel·les, amb el seu característic moviment d’encongir-se i estirar-se. 2. Observació de flagel·lats. Com en el cas dels ciliats, es poden trobar a les aigües de rius i rierols. L’espècie més freqüent és l’Euglena viridis. Presenta un flagel molt llarg i prim, difícil de veure. També podem obtenir flagel·lats preparant una infusió. Cal deixar passar tres o quatre setmanes. És probable trobar-hi el Chilomonas paramecium, que té el cos transparent, el·lipsoïdal i amb dos flagels desiguals. Fa de 20 a 40 μm. Fes un dibuix de cada forma indicant les estructures cel·lulars que es poden reconèixer. 3. Rizòpodes. EIs rizòpodes també poden trobar-se als fons o als pòsits dels tolls d’aigua dolça. Posa sobre el portaobjectes una gota amb bastants detritus i observa-la a 400 augments o més, amb el diafragma tancat al màxim, ja que els rizòpodes són molt transparents. El rizòpode més abundant és I’ameba.

136

Epidermis de ceba. 1. Talla la ceba i separa’n una de les fulles internes. Amb el bisturí, talla’n un trosset i, després, amb les pinces fines, pinçant per una vora, separa’n l’epidermis, que és semitransparent. 2. TrasIlada el trosset a un portaobjectes amb unes quantes gotes d’aigua i posa’l sobre un vas petit, perquè caigui l’aigua i els colorants. Si cal, estira el trosset d’epidermis amb l’ajut de les dues agulles emmanegades. 3. Escorre l’aigua, afegeix-hi tres gotes de blau de metilè i deixa-ho tenyir durant cinc minuts. Després, mitjançant un comptagotes, renta bé l’epidermis tirant-hi aigua fins que surti neta. 4. Eixuga totes les vores de la preparació i afegeix-hi dues gotes de glicerina; posa-hi amb cura un cobreobjectes net, i després segella’n les quatre vores amb laca d’ungles per impedir que la glicerina llisqui. 5. Observa-ho al microscopi amb petit augment i, després, una vegada escollida la zona millor, amb gran augment.

Practica 39 Fes un dibuix de cada observació i indica-hi les estructures cel·lulars que has reconegut.

unitat 7

Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

8

CONTINGUTS

1 2 3 4 5

El reticle endoplasmàtic L’aparell de Golgi Els lisosomes Els vacúols Els peroxisomes i els glioxisomes 6 Els mitocondris 7 Els cloroplasts 8 El nucli cel·lular

Les cèl·lules eucariotes tenen un sistema intern de membranes molt complex. S’anomena sistema endomembranós i divideix el contingut cel·lular en compartiments, com ara el reticle endoplasmàtic i l’aparell de Golgi, a cada un dels quals es fan diferents tipus de reaccions bioquímiques. Una extensió especial del reticle endoplasmàtic delimita el nucli. Fora del sistema endomembranós, hi ha altres orgànuls delimitats per membranes, els cloroplasts i els mitocondris. • Quin avantatge representa per a la cèl·lula la compartimentació del contingut cel·lular? Cloroplast.

1 El reticle endoplasmàtic REL RER

Embolcall nuclear

El reticle endoplasmàtic (RE) és un sistema membranós compost per una xarxa de sàculs aplanats o cisternes, sàculs globosos o vesícules, i túbuls sinuosos, que s’estenen per tot el citoplasma, i que es comuniquen amb la membrana nuclear externa. Aquest sistema constitueix un únic compartiment amb un espai intern que rep el nom de lumen o llum. Es distingeixen dos tipus de reticle endoplasmàtic: el reticle endoplasmàtic rugós o granular (RER), que abans s’anomenava ergastoplasma i que presenta ribosomes, i el reticle endoplasmàtic llis o agranular (REL), que no té ribosomes. El reticle endoplasmàtic rugós i el reticle endoplasmàtic llis estan interconnectats.

Lumen Cisternes Ribosomes

Vesícula de transport

Les funcions del reticle endoplasmàtic són: la síntesi, l’emmagatzematge i el transport de proteïnes i de lípids, la unió d’aquests compostos amb glúcids, i la transformació de les substàncies tòxiques en substàncies no tòxiques (destoxificació).

Reticle endoplasmàtic rugós.

1.1. El reticle endoplasmàtic rugós (RER) El reticle endoplasmàtic rugós (RER) es caracteritza perquè presenta ribosomes a la cara externa, l’anomenada cara citoplasmàtica. El reticle endoplasmàtic rugós està format per cisternes comunicades entre si. A més, presenta vesícules de transport. Es comunica amb el reticle endoplasmàtic llis i amb la part externa de l’embolcall nuclear. De fet, es pot considerar que l’embolcall nuclear és la part del RER que separa el material genètic (DNA) del citoplasma. Les seves membranes són una mica més primes que les plasmàtiques (de 50 a 60 Å) i presenten unes proteïnes encarregades de fixar els ribosomes, les riboforines, i d’altres que actuen com a canals de penetració de les proteïnes sintetitzades per aquests ribosomes. La funció bàsica del reticle endoplasmàtic rugós és sintetitzar les proteïnes i els fosfolípids que formen la membrana i també sintetitzar proteïnes de secreció, les quals generalment són glicoproteïnes. Les proteïnes són sintetitzades pels ribosomes de la seva membrana, són introduïdes al lumen i, si cal, se n’inicia la glicosilació, que es completarà a l’aparell de Golgi. Els fosfolípids són sintetitzats a partir dels seus precursors procedents del citosol. Les proteïnes de membrana i els fosfolípids passen a formar part de la membrana del RER i, posteriorment, en generar-se i desprendre’s vesícules que s’uneixen a la membrana d’altres orgànuls, passen a formar part d’ells. Les proteïnes de secreció són transportades a l’interior de les vesícules de transport que es formen en una àrea especialitzada de la seva perifèria i que, finalment, s’obren a l’exterior. Síntesi de proteïnes a la membrana del reticle endoplasmàtic rugós. L’inici de la síntesi de la proteïna es produeix al citosol. Un cop el ribosoma s’hi ha acoblat, després d’associar-se a l’RNAm, comença la formació de la proteïna que presenta a l’extrem un pèptid de senyalització. Aquest pèptid és reconegut per la membrana del reticle endoplasmàtic rugós, que permet al ribosoma unir-se fortament a receptors de la membrana. La proteïna en formació és introduïda, a través de proteïnes intermembranoses, al lumen, on perd el pèptid de senyalització. Al lumen un oligosacàrid s’uneix a la proteïna (glicosilació). 138

Ribosoma

CITOSOL

5'

3'

Reticle endoplasmàtic rugós

5' 3' Pèptid de senyalització 3' de la cadena polipeptídica en creixement 5'

Proteïna receptora de membrana

5' 3'

3'

Pèptid de senyalització eliminat

COOH NH2

LUMEN NH2

NH2

Cadena polipeptídica acabada sense el pèptid de senyalització

unitat 8

1.2. El reticle endoplasmàtic llis (REL) El reticle endoplasmàtic llis es caracteritza perquè no té ribosomes. Està constituït per una xarxa de túbuls, units al reticle endoplasmàtic rugós, que s’expandeix per tot el citoplasma. La membrana del reticle endoplasmàtic llis té una gran quantitat d’enzims, l’activitat principal dels quals és la síntesi de lípids. En el reticle endoplasmàtic llis se sintetitzen gairebé tots els lípids que formen les membranes: fosfolípids, glicolípids, colesterol, hormones esteroides, etc. Només els àcids grassos se sintetitzen al citosol. • Els lípids es formen a la monocapa citosòlica de la membrana del REL, des d’on es difonen cap a l’altra monocapa i cap a l’interior del reticle llis. • A continuació, es transporten a altres orgànuls, mitjançant proteïnes de transferència o per vesícules, produïdes per gemmació per mitjà de les xarxes de clatrina. Així doncs, el REL intervé en la síntesi, l’emmagatzematge i el transport dels lípids. El reticle endoplasmàtic llis està molt desenvolupat a les cèl·lules intersticials* dels ovaris i dels testicles, les quals sintetitzen una gran quantitat d’esteroides. Altres funcions del reticle endoplasmàtic llis són:

Micrografia del reticle endoplasmàtic llis.

• La destoxificació de les cèl·lules. Transforma les substàncies tòxiques en productes menys tòxics i eliminables per la cèl·lula. • La participació en la contracció dels músculs estriats. En la cèl·lula en repòs el REL bombeja ions calci (Ca2) al lumen i, quan hi arriba un impuls nerviós, els ions calci (Ca2) surten ràpidament del REL al citosol i possibiliten la contracció de la cèl·lula muscular. Nucli Reticle endoplasmàtic llis

→

Embolcall nuclear Porus nuclears

Cèl·lules intersticals. Cèl·lules dels testicles i dels ovaris que tenen la funció de produir hormones esteroides, com ara la testosterona.

−− −− →

Ribosoma

−−− −−− → Reticle endoplasmàtic rugós

El reticle endoplasmàtic rugós està relacionat amb la membrana nuclear i el reticle endoplasmàtic llis.

Activitats 1 Quin tipus de proteïnes permeten l’ancoratge dels ribosomes al reticle endoplasmàtic? 2 Les cèl·lules pancreàtiques molt actives en la síntesi d’enzims digestius tenen un nombre molt elevat de ribosomes. Per què? 3 Explica en quina forma es troben els ribosomes en el citosol. 4 Quines diferències hi ha entre el reticle endoplasmàtic rugós i el llis? 5 Quines són les funcions del reticle endoplasmàtic llis?

Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

139

2 L’ aparell de Golgi L’aparell o complex de Golgi (AG) forma part del sistema endomembranós cel·lular. Se sol situar pròxim al nucli i, en les cèl·lules animals, envolta els centríols. Està format per un o uns quants dictiosomes, que són agrupacions en paral·lel de sàculs discoïdals anomenats cisternes, i per nombroses vesícules de secreció. Cada dictiosoma té de quatre a vuit cisternes. Va ser descobert per Camillo Golgi el 1898 gràcies a una tècnica de tinció amb sals de plata anomenada impregnació argèntica. L’ aparell de Golgi està polaritzat, ja que el dictiosoma presenta dues cares amb diferent estructura i funció. • La cara cis o de formació, orientada al reticle endoplasmàtic rugós, generalment convexa, està constituïda per sàculs de menys diàmetre i de membrana més fina. • La cara trans o de maduració, orientada cap a la membrana citoplasmàtica, és generalment còncava, i es caracteritza perquè presenta cisternes molt grans, de membrana més gruixuda i d’aspecte reticular. La cara cis rep vesícules (vesícules de transició) procedents de l’embolcall nuclear i del reticle endoplasmàtic. El contingut molecular d’aquestes vesícules avança pel dictiosoma cap a la cara trans. Aquesta progressió es fa de cisterna a cisterna, mitjançant petites vesícules (vesícules intercisternes). Un cop que arriben a la cara trans, el contingut molecular es concentra i s’acumula a l’interior d’altres vesícules, que poden ser de dos tipus: els lisosomes i les vesícules de secreció. Els lisosomes són vesícules petites que contenen enzims digestius que s’utilitzaran en els vacúols digestius. Les vesícules de secreció són vesícules grans que es dirigeixen cap a la membrana plasmàtica i s’hi fusionen. D’aquesta manera, la fan créixer i vessen el seu contingut al medi extern (exocitosi). Vesícules intermèdies Revestiment de clatrina Ribosoma Lisosoma

Nucli

Vesícules de transició Vesícula que perd el revestiment de clatrina Vesícules formades amb revestiment de clatrina

Vesícula

Cara cis

Vesícula de secreció

Fusió de vesícules

Reticle endoplasmàtic Cara trans

Dictiosoma

Membrana cel·lular

Estructura del complex de Golgi. Origen dels lisosomes i de les vesícules de secreció. 140

unitat 8

Aparell de Golgi d’una cèl·lula secretora.

2.1. Funcions de l’aparell de Golgi L’ aparell de Golgi exerceix el paper d’organitzador de la circulació molecular de la cèl·lula. Hi passen un gran nombre de molècules procedents del reticle endoplasmàtic que sofreixen una maduració durant el recorregut pels sàculs del dictiosoma. Com que l’aparell de Golgi té membranes riques en enzims, pot fer múltiples funcions. Entre les funcions de l’aparell de Golgi destaquen: • Maduració, acumulació, transport i secreció de proteïnes procedents del reticle endoplasmàtic. Dins les cisternes dels dictiosomes moltes proteïnes varien l’estructura o alteren les seqüències d’aminoàcids i es fan actives. Posteriorment són concentrades i passen a l’interior de vesícules de secreció. • Glicosilació de lípids i proteïnes. S’afegeixen oligosacàrids als lípids i a les proteïnes procedents del reticle endoplasmàtic. • Síntesi de polisacàrids. Per exemple, els proteoglicans (mucopolisacàrids), de la matriu extracel·lular, i els glúcids constitutius de la paret cel·lular vegetal (pectina, hemicel·lulosa i cel·lulosa). Activitats 6 Raona quina és la cara cis i quina és la cara trans del tall de l’aparell de Golgi. Reticle endoplasmàtic

Vesícula de secreció

7 Exposa els tipus de vesícules de l’aparell de Golgi. 8 Explica quines funcions fa l’aparell de Golgi. 9 Defineix dictiosoma i cisterna. 10 Quina relació funcional uneix el reticle endoplasmàtic i l’aparell de Golgi? 11 Quines semblances i diferències hi ha entre els lisosomes i les vesícules de secreció?

Sàculs de Golgi

Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

Explica les funcions de cadascuna d’aquestes estructures.

141

3 Els lisosomes Nucli RER Vesícula de secreció

REL

Exocitosi

Embolcall nuclear

Lisosoma

Membrana plasmàtica

Formació d’un lisosoma.

Els lisosomes són vesícules procedents de l’aparell de Golgi que contenen enzims digestius. Aquests enzims són hidrolases* àcides (fosfatasa àcida, glicosidases, lipases, proteases, DNAasa, etc.) que es formen al reticle endoplasmàtic rugós, passen a l’aparell de Golgi, on s’activen i es concentren, i després s’acumulen a l’interior dels lisosomes. Els lisosomes tenen una membrana plasmàtica amb les proteïnes de la cara interna molt glicosilades (unides a glúcids). Aquestes glicoproteïnes impedeixen que els enzims hidrolases ataquin la membrana interna del lisosoma. Els lisosomes aporten els enzims per fer la digestió de la matèria orgànica de la cèl·lula. L’ enzim digestiu més important és la fosfatasa àcida, capaç de trencar els enllaços fosfoèsters i alliberar grups de fosfat. Per al bon funcionament d’aquests enzims, els lisosomes necessiten mantenir un pH entre 3 i 6; per tant, hi introdueixen protons (H) a l’interior mitjançant consum d’ATP. En els organismes pluricel·lulars la digestió pot ser extracel·lular, quan les vesícules de secreció expulsen els enzims a l’exterior, o intracel·lular, quan els lisosomes s’uneixen a un vacúol que conté la matèria que s’ha de digerir. S’utilitza el terme lisosoma primari per referir-se als que només tenen a l’interior enzims digestius, i el terme lisosoma secundari per a aquells que, pel fet d’haverse unit a un vacúol amb matèria orgànica, contenen substrats en via de digestió. Els lisosomes secundaris poden ser de dues menes:

Hidrolasa. Enzim que catalitza l’escissió d’un substrat gràcies a la intervenció d’una molècula d’aigua.

Autofagosoma

• Vacúols digestius o heterofàgics, quan el substrat procedeix de l’exterior de la cèl·lula i hi ha entrat per fagocitosi o pinocitosi. • Vacúols autofàgics, quan el substrat procedeix de l’interior, per exemple, molècules o orgànuls propis, que prèviament han estat envoltats per cisternes del reticle endoplasmàtic.

Lisosoma secundari (vacúol autofàgic)

Reticle llis

Cos residual

Exocitosi

AUTOFÀGIA

Lisosomes primaris

Mitocondri

HETEROFÀGIA

Nucli

L’ acrosoma dels espermatozoides i els grans d’aleurona de les llavors són lisosomes especials. • L’ acrosoma és un lisosoma primari en el qual s’emmagatzemen enzims capaços de digerir les membranes fol·liculars de l’òvul, per permetre el pas de l’espermatozoide durant la fecundació. • Els grans d’aleurona són lisosomes secundaris on s’emmagatzemen proteïnes. A causa de la pèrdua d’aigua, les proteïnes es mantenen en estat cristal·lí fins que les llavors es planten i els grans d’aleurona absorbeixen aigua. Llavors els enzims s’activen i se n’inicia la digestió, amb la qual cosa la llavor comença a germinar.

Fagosoma

Reticle rugós

Exocitosi

Aparell de Golgi Lisosoma secundari (vacúol heterofàgic)

Bacteri Pseudòpode

Activitats 12 Què diferencia un lisosoma primari d’un lisosoma secundari? 13 Explica què impedeix que els enzims hidrolases destrueixin la membrana del lisosoma.

Esquema de l’acció dels lisosomes en la digestió cel·lular. 142

unitat 8

4 Els vacúols

Vacúol

Els vacúols són orgànuls constituïts per una membrana unitària, i amb un interior que és predominantment aquós. Formen part del sistema endomembranós. Poden tenir diferents orígens: a partir del reticle endoplasmàtic, de l’aparell de Golgi o d’invaginacions de la membrana citoplasmàtica. • Els vacúols de les cèl·lules animals, que ja s’han descrit en els apartats que estudien el reticle endoplasmàtic i el complex de Golgi, solen ser petits, i actualment s’anomenen vesícules. • Els vacúols de les cèl·lules vegetals solen ser molt grans, i sí que reben el nom de vacúols. N’hi sol haver un o dos en cada cèl·lula. La membrana rep el nom de tonoplast. Els vacúols es formen a les cèl·lules vegetals joves mitjançant la unió de vesícules derivades de l’aparell de Golgi. Solen ocupar el 5 % del volum cel·lular. A mesura que la cèl·lula vegetal madura, els vacúols creixen, i arriben a ocupar el 50 %, i de vegades fins i tot el 90 %, de la cèl·lula vegetal madura. El conjunt de vacúols d’una cèl·lula vegetal rep el nom de vacuoma. Els vacúols de les cèl·lules vegetals tenen tres funcions principals: • Acumular una gran quantitat d’aigua. Amb això s’aconsegueix l’augment de volum de la cèl·lula vegetal (turgència cel·lular) sense variar-ne la quantitat de citosol ni la salinitat. L’ aigua, que fa una funció estructural, entra per osmosi a causa de l’elevada concentració de substàncies que hi ha a les vesícules inicials. Gràcies a això, les fulles de les plantes es mantenen erectes i turgents. • Emmagatzemar substàncies específiques. Unes són reserves energètiques elaborades per la mateixa cèl·lula, com ara les proteïnes; d’altres són productes de rebuig que resultarien perjudicials si fossin al citosol; d’altres són substàncies específiques, com per exemple els antocianòsids* responsables dels colors dels pètals o els alcaloides*, verinosos per als animals herbívors, que serveixen per repel·lir-los. Finalment, hi ha altres substàncies amb funció esquelètica, que donen consistència a les plantes, com els cristalls de carbonat càlcic i oxalat càlcic. • Transportar substàncies entre orgànuls del sistema endomembranós i entre aquests i el medi extern. El transport el fan les anomenades vesícules del reticle endoplasmàtic i de l’aparell de Golgi. Perquè es produeixi una vesícula a partir de la membrana, primer es forma una xarxa d’una proteïna filamentosa, la clatrina, que indueix el sorgiment de relleus membranosos revestits per aquesta i, més tard, la formació d’una vesícula revestida. Posteriorment, la vesícula independent perd el revestiment de clatrina.

Les cèl·lules vegetals tenen vacúols molt grans.

Alcaloides. Substàncies d’origen vegetal nitrogenades de caràcter bàsic que, en general, produeixen efectes fisiològics perjudicials als animals. Antocianòsids. Substàncies del grup dels glúcids heteròsids que donen color als pètals de les flors.

En les cèl·lules animals es distingeixen dos tipus especials de vacúols: uns amb funció nutritiva, que són els vacúols fagocítics i els pinocítics, i d’altres amb funció reguladora de la pressió osmòtica, com ara els vacúols pulsàtils dels protozous ciliats, que expulsen aigua a l’exterior d’una manera ràpida, si la diferència de pressió és gran, o d’una manera lenta, si els medis són isotònics. Activitats 14 Què és la clatrina? Com actua? 15 Explica el procés de formació de les glicoproteïnes de la membrana plasmàtica. De quina manera arriben fins a la membrana? 16 Quines diferències hi ha entre un vacúol heterofàgic i un vacúol autofàgic?

Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

143

5 Els peroxisomes i els glioxisomes Hi ha altres orgànuls semblants als lisosomes que contenen altres enzims, diferents a les hidrolases i, per tant, fan altres funcions en la cèl·lula.

5.1. Els peroxisomes Els peroxisomes són vesícules amb un diàmetre d’entre 0,1 i 0,5 μm. Procedeixen del reticle endoplasmàtic i contenen molts tipus d’enzims oxidatius. Els més importants són l’oxidasa i la catalasa. Quan aquests enzims es troben en una concentració molt alta poden formar grans cristalls a l’interior del peroxisoma. Substrat  H2

Substrat

Oxidasa

Catalasa H2O  O2

O2

H2 O2

H2 O

Catalasa Peroxisoma

CITOSOL

Substrat  H2

Activitat oxidativa dels peroxisomes. oxidasa a) Substrat-H2  O2 → Substrat  H2O2 catalasa b) H2O2  Substrat-H2 → 2 H2O  Substrat catalasa c) 2 H2O2 → 1/2 O2  2 H2O

Substrat

Mitjançant l’enzim oxidasa en els peroxisomes es fan reaccions d’oxidació de substàncies orgàniques que són perjudicials, com ara l’àcid úric, l’àcid làctic, o un excés d’aminoàcids. En la reacció s’utilitza oxigen (O2) i es produeix peròxid d’hidrogen, és a dir, aigua oxigenada (H2O2). El peròxid d’hidrogen és una substància molt oxidant i per això també resulta tòxica per a la cèl·lula. Per eliminar-la actua l’enzim catalasa. Aquest enzim pot actuar de dues maneres: a) Si hi ha substàncies tòxiques que es poden eliminar per oxidació (etanol, metanol, fenols, àcid fòrmic, etc.) les fa reaccionar amb el H2O2 i així s’eliminen les dues. b) Si no hi ha substàncies tòxiques per oxidar, la catalasa descompon el H2O2 en H2O i O2 i així s’evita que el peròxid d’hidrogen arribi a sortir fora dels peroxisomes. En resum, els peroxisomes tenen funció de destoxificació i per això són abundants en les cèl·lules del fetge i del ronyó. A més, al seu interior també té lloc la degradació dels àcids grassos en molècules més petites, que després passen als mitocondris, on s’acaben d’oxidar.

L’energia produïda en les reaccions d’oxidació que es duen a terme en els peroxisomes es dissipa en forma de calor en comptes d’aprofitar-se per sintetitzar ATP, com passa en els mitocondris. A diferència dels lisosomes, els peroxisomes no s’originen en el sistema endomembranós. Quan un peroxisoma és suficientment gran, s’escindeix en dos. Es considera que durant l’evolució dels éssers vius els peroxisomes van aparèixer a la cèl·lula abans que els mitocondris (que s’ocupen de la respiració cel·lular) i que la seva funció inicial era permetre la vida en una atmosfera cada vegada més rica en oxigen, element tòxic per als organismes anaeròbics inicials, fent-lo reaccionar de manera controlada.

5.2. Els glioxisomes Els glioxisomes són una classe de peroxisomes que només existeixen en les cèl·lules dels vegetals. El nom deriva del fet que contenen els enzims responsables del cicle de l’àcid glioxílic, una variant del cicle de Krebs, que permet sintetitzar glúcids a partir de lípids. Això resulta essencial per a les llavors en germinació, ja que els permet sintetitzar glucosa a partir de les reserves lipídiques. L’ embrió de la llavor es nodreix de glucosa fins que el nou vegetal pot sortir del terra, estendre les fulles i fer la fotosíntesi. Activitats 17 Explica què és la destoxificació. Quins orgànuls l’efectuen?

144

unitat 8

6 Els mitocondris

MATRIU MITOCONDRIAL H

Els mitocondris són els orgànuls de les cèl·lules eucariotes que s’encarreguen d’obtenir energia mitjançant la respiració cel·lular, un procés d’oxidació en el qual intervenen uns enzims anomenats ATPsintetases que permeten guardar l’energia alliberada en els enllaços químics de les molècules d’ATP. Es troben en grans quantitats al citoplasma de totes les cèl·lules eucariotes, tant d’animals i de vegetals com de fongs, i són especialment abundants en les que, per la seva activitat, tenen una elevada demanda d’energia. El conjunt de mitocondris d’una cèl·lula s’anomena condrioma.

ATP Regió F1 Pi  ADP Peduncle F0

Bicapa lipídica

Els mitocondris són orgànuls polimorfs, que poden variar des de formes esfèriques fins a allargades a manera de bastonets. Les seves dimensions oscil·len entre 1 i 4 μm de longitud i entre 0,3 i 0,8 μm d’amplitud. • La membrana mitocondrial externa és llisa i conté moltes proteïnes transmembranoses que actuen com a canals de penetració de les substàncies presents en el citosol. • Replecs interns La membrana mitocondrial interna, que té molts, anomenats crestes mitocondrials. L’espai delimitat per la membrana interna rep el nom de matriu mitocondrial. Els replecs o crestes de la membrana mitocondrial interna n’incrementen la superfície i, per tant, la capacitat metabolitzadora. És bastant impermeable, i conté les proteïnes que permeten dur a terme la respiració mitocondrial (els citocroms i les ATPsintetases). Entre els lípids de membrana no hi ha el colesterol, que també falta en la membrana plasmàtica bacteriana. A la matriu mitocondrial hi ha un medi intern ric en enzims i en el qual tenen lloc un gran nombre de reaccions bioquímiques. Aquesta cambra interna presenta ribosomes mitocondrials o mitoribosomes, semblants als bacterians, i unes quantes molècules de DNA mitocondrial, circular i de doble filament, com el DNA bacterià. • L’ espai existent entre les dues membranes es denomina espai intermembranós i té un contingut semblant al del citosol. L’ activitat més important dels mitocondris és la respiració cel·lular. Aquest procés comprèn dues etapes: el cicle de Krebs, que es duu a terme a la matriu mitocondrial, i la cadena respiratòria, que es produeix a la membrana interna. En la respiració cèl·lular s’uneixen l’hidrogen procedent de la matèria orgànica amb l’oxigen procedent de l’aire que respirem. S’allibera energia, que queda emmagatzemada en molècules d’ATP gràcies als enzims ATPsintetases.

Membrana mitocondrial interna

Base hidròfoba

Presenten una membrana doble:

L’enzim ATP-sintetasa es troba a la membrana interna dels mitocondris. ESPAI INTERMEMBRANÓS

ATPsintetasa.

Activitats 18 Què és l’ATPsintetasa? On és? Explica com actua. 19 En quina part dels mitocondris es duu a terme la respiració cel·lular? 20 En què consisteix la cadena respiratòria?

Membrana mitocondrial externa

Espai intermembranós

A la matriu mitocondrial es fan altres vies metabòliques importants, entre les quals destaquen la -oxidació dels àcids grassos, la biosíntesi de proteïnes en els ribosomes i la duplicació del DNA mitocondrial. Actualment, es considera que els mitocondris es van originar a partir de bacteris fagocitats per cèl·lules, que no van ser digerits sinó que es van quedar en simbiosi en el citosol (endosimbiosi). En aquest medi disposaven de prou matèria orgànica i, a canvi, cedien part del seu ATP a la cèl·lula hoste, que així tenia més possibilitats de supervivència. Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

Crestes mitocondrials

DNA mitocondrial

Mitoribosomes Grànuls densos

Estructura d’un mitocondri. 145

7 Els cloroplasts Els cloroplasts són uns orgànuls que contenen el pigment fotosintètic clorofil·la, que és de color verd. Per aquest motiu poden dur a terme la fotosíntesi, procés en el qual es transforma l’energia lumínica en energia química, que queda continguda en les molècules d’ATP i que després s’utilitza per sintetitzar matèria orgànica a partir de matèria inorgànica. Per això, igual que els mitocondris, els cloroplasts són orgànuls productors d’energia química. Els cloroplasts són orgànuls polimorfs i de color verd a causa de la presència del pigment clorofil·la. A les algues, les formes són molt diverses; per exemple, a l’alga Spirogyra tan sols n’hi ha dos i tenen forma de cinta en hèlix. A les plantes superiors, la forma més freqüent és la de disc lenticular, tot i que també n’hi ha d’ovoides i d’esfèrics. Mesuren entre 3 i 19 μm de diàmetre major i d’1 a 2 μm de diàmetre menor, i sol haver-n’hi entre 20 i 40 per cèl·lula. Presenten una coberta constituïda per una doble membrana: una membrana plastidial externa i una membrana plastidial interna. Cap de les dues membranes té clorofil·la, i entre els seus lípids, igual que en els mitocondris, no hi ha colesterol. Cloroplasts de l’alga Spyrogira.

La membrana plastidial externa és molt permeable, mentre que la membrana plastidial interna és gairebé impermeable, i per això presenta una gran quantitat de permeases, anomenades proteïnes translocadores. A l’interior del cloroplast, delimitada per la membrana plastidial interna, hi ha una cambra que conté un medi intern, anomenat estroma, que té un elevat nombre de components. Aquests són: DNA plastidial, circular i de doble hèlix, com el dels bacteris; plastoribosomes, diferents dels ribosomes del citoplasma i dels mitoribosomes dels mitocondris; enzims, entre els quals destaquen els que transformen el CO2 en matèria orgànica, i els que permeten la transcripció, la traducció i la replicació del DNA; i finalment, les inclusions de grans de midó i les inclusions lipídiques. Immersos en l’estroma hi ha nombrosos sàculs aplanats, que reben el nom de tilacoides o lamel·les, caracteritzats perquè contenen pigments fotosintètics a la membrana, l’anomenada membrana tilacoïdal, la cavitat interior de la qual rep el nom de lumen o espai tilacoïdal. Els tilacoides poden estendre’s per tot l’estroma, són els anomenats tilacoides d’estroma, o poden ser petits, en forma de disc i presentar-se amuntegats com piles de monedes, són els anomenats tilacoides de grànul, ja que cada pila rep el nom de grànul. A les membranes dels grànuls s’ubiquen els sistemes enzimàtics encarregats de percebre l’energia lluminosa, efectuar el transport d’electrons i formar ATP.

Micrografia de cloroplasts d’una fulla. 146

7.1. Funcions dels cloroplasts i d’altres tipus de plasts L’ activitat bàsica dels cloroplasts és la realització de la fotosíntesi. • A partir de l’energia lluminosa, mitjançant els pigments fotosintètics i una cadena transportadora d’electrons de la membrana dels tilacoides, s’obté energia química en forma d’ATP. • Després, l’ATP s’utilitza en l’estroma per sintetitzar glúcids i precursors dels lípids a partir de matèria inorgànica. És l’anomenada fase fosca de la fotosíntesi. A l’estroma també es fa la biosíntesi de proteïnes, en la qual intervenen els plastoribosomes, i la replicació del DNA plastidial. Membrana externa

Tilacoides de grànul

Membrana interna Grànul

Membrana tilacoïdal

Tilacoides d’estroma DNA cloroplàstic

Espai intratilacoide

21 Què són els tilacoides? Quina funció fan? 22 Quina part de la fotosíntesi es fa a l’estroma?

Ribosomes Estroma

Activitats

Espai intermembranós

Estructura d’un cloroplast.

23 En quin tipus de plasts classifiquem els cloroplasts? Anomena els altres tipus de plasts i explica les funcions que fan.

Els cloroplasts són un tipus de plasts o plastidis. Els plasts són uns orgànuls característics de les cèl·lules dels vegetals, amb capacitat de sintetitzar i emmagatzemar substàncies. Si bé els cloroplasts només són presents en les cèl·lules de les parts verdes de les plantes, els plasts són presents a totes les cèl·lules vegetals.

24 Indica en una doble columna les diferències entre un mitocondri i un cloroplast.

Se’n distingeixen dos tipus principals: • Els cromoplasts, que contenen pigments. Per exemple, els cromoplasts rics en carotens de la pastanaga i els cromoplasts rics en licopè dels tomàquets. • Els leucoplasts, que són incolors i que es troben en les cèl·lules meristemàtiques*. D’aquests deriven els cloroplasts, si la llum estimula la síntesi de clorofil·la; els amiloplasts, si després es converteixen en magatzems de midó, i els proteoplasts, si emmagatzemen proteïnes.

Cèl·lules meristemàtiques. Cèl·lules vegetals poc diferenciades, amb una alta taxa de reproducció i, per tant, responsables del creixement. A partir d’aquestes cèl·lules es desenvolupen tots els teixits vegetals.

La presència d’DNA plastidial ha fet que els científics pensin que els cloroplasts procedeixen de cianobacteris que van ser fagocitats per cèl·lules i que, en lloc de ser digerits, van quedar en simbiosi (endosimbiosi) dintre de la cèl·lula que els va capturar. La cèl·lula els proporcionava un medi líquid i protecció i, a canvi, cedien part de la matèria orgànica que sintetitzaven a la cèl·lula hoste, que així tenia més possibilitats de supervivència. Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

147

8 El nucli cel·lular El nucli és una estructura constituïda per una membrana doble, anomenada embolcall nuclear, que envolta el material genètic (DNA) de la cèl·lula, i així el separa del citoplasma. El medi intern nuclear rep el nom de nucleoplasma, i conté les fibres de DNA, més o menys condensades, que reben el nom de cromatina, i un o dos corpuscles, molt rics en RNA, anomenats nuclèols.

Cromatina Nucleoplasma

Mitocondri

Nuclèol

Micrografia del nucli i el nuclèol d’una cèl·lula pancreàtica amb el microscopi electrònic. Nucli en interfase.

8.1. Canvis del nucli durant el cicle cel·lular El nucli és una estructura que varia de forma segons l’estat en què es troba la cèl·lula. Al llarg del cicle cel·lular se’n distingeixen dues formes, anomenades nucli en interfase i nucli en divisió. Activitats 25 En quin lloc del nucli es troba l’RNA? I l el DNA? 26 Per quin motiu mor la cèl·lula quan se li extirpa el nucli? 27 Com poden sortir cèl·lules que tenen més d’un nucli? 28 La interfase és la fase inicial de la mitosi? Justifica la resposta. 29 Calcula la relació nucleoplasmàtica d’un hepatòcit el volum del qual és de 4.000 μm3 i el nucli ocupa el 6 % d’aquest volum.

148

El nucli en interfase té la coberta intacta i les fibres de cromatina esteses, de manera que formen una única massa. Encara que el nucli en interfase també s’anomena nucli en repòs, és en aquest moment en què la seva activitat és més elevada: les fibres de DNA estan esteses per permetre’n la transcripció a RNA i, uns moments abans que comenci la divisió cel·lular, per permetre’n la duplicació. Quan comença la divisió, es produeixen canvis importants en el nucli: les fibres de cromatina es condensen sobre si mateixes i donen lloc a cromosomes, que tenen forma de bastonets més o menys allargats. Posteriorment, desapareix l’embolcall nuclear i els cromosomes queden immersos en el citoplasma. El procés de divisió del nucli es pot dur a terme de dues maneres: • Si el nombre de cromosomes de cada cèl·lula filla és el mateix que el de la cèllula mare, s’anomena mitosi. • Si el nombre de cromosomes de cada cèl·lula filla és la meitat que el de la cèl·lula mare, perquè dóna lloc a cèl·lules reproductores, s’anomena meiosi. unitat 8

Reticle endoplasmàtic rugós

Heterocromatina Eucromatina Porus nuclears Ribosomes Nuclèol

Làmina nuclear Membrana nuclear interna Espai perinuclear

Nucli polilobulat de leucòcit neutròfil

Nucli esfèric central d’una cèl·lula animal epitelial

Nucli discoïdal d’una cèl·lula vegetal

Nucli ramificat d’una cèl·lula glandular

Embolcall nuclear

Membrana nuclear externa

Nucleoplasma

Ultraestructura del nucli.

8.2. Característiques del nucli • Nombre. Generalment només hi ha un nucli en cada cèl·lula, però, de manera excepcional, pot haver-n’hi més d’un. Això pot ser degut a la unió de diverses cèl·lules uninucleades, mitjançant la desaparició de les membranes plasmàtiques que les separen. La cèl·lula plurinucleada així formada s’anomena síncit. Això succeeix, per exemple, en les cèl·lules musculars. També pot ser el resultat de diverses divisions nuclears sense que es doni la divisió del citoplasma. La cèl·lula plurinucleada resultant s’anomena plasmodi. Un exemple n’és el cas del protozou Opalina ranarum, paràsit del tub digestiu de les granotes, que presenta desenes de nuclis. • Forma. En les cèl·lules vegetals el nucli en interfase, és a dir, en el període comprès entre una divisió i una altra, sol ser discoïdal i, generalment, es troba en posició lateral, a causa de la pressió exercida pel vacuoma (conjunt de vacúols característic de la cèl·lula vegetal).

Nucli en forma de rosari de Stentor

En les cèl·lules animals el nucli interfàsic acostuma a ser esfèric i, generalment, es troba en posició central. Sovint hi ha relació entre la forma de la cèllula i la del nucli. Per exemple, en les cèl·lules allargades, el nucli sol ser el·lipsoïdal. També hi ha casos de nucli amb altres formes; per exemple, en ferradura, en forma de rosari, polilobulat, amb prolongacions o ramificat. • Mida. La mida del nucli és molt variable. La mitjana oscil·la entre 5 i 25 μm de diàmetre. Sol ser més gran en cèl·lules molt actives, com en les cèl·lules dels teixits secretors o reproductors.

Nucli amb prolongacions de l’òvul de l’aranya

Per a cada tipus de cèl·lules hi ha una relació nucleoplasmàtica (RNP) entre el volum nuclear i el volum citoplasmàtic, que es manté constant. Per sota d’un determinat valor, s’indueix la iniciació de la divisió cel·lular, ja que si el volum citoplasmàtic ha crescut molt, el nucli pot arribar a ser incapaç de controlar tot el citoplasma. Recordem que la relació nucleoplasmàtica s’expressa mitjançant la fórmula següent, en què RNP és la relació nucleoplasmàtica, Vn és el volum nuclear, i Vc és el volum cel·lular total: RNP = Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

Vn Vc - Vn

Nucli en ferradura de Vorticella

Formes del nucli cel·lular. 149

8.3. L’embocall nuclear

Membrana nuclear externa

Citoplasma

Proteïnes integrals de la membrana

Espai perinuclear

Membrana nuclear interna

L’ embolcall nuclear és una membrana doble, que separa els processos metabòlics que es donen en el citoplasma dels processos químics que es donen en el nucleoplasma, i que presenta una sèrie de porus que regulen la comunicació entre aquests medis. Està constituït per una membrana externa, d’uns 70 a 90 Å de gruix, similar a la membrana plasmàtica; un espai intermembranós anomenat espai perinuclear, d’uns 200 a 300 Å de gruix; una membrana interna, també d’uns 70 a 90 Å, i a sota d’aquesta, una capa densa de proteïnes fibril·lars, anomenada làmina nuclear, o també làmina fibrosa. Les dues membranes procedeixen del reticle endoplasmàtic.

Fibra cromatínica

Nucli

Proteïnes de la làmina nuclear

Embolcall nuclear. Ribosomes 1.000 Å ARNm 700 Å

800 Å Membrana externa

Espai perinuclear 100 Å Proteïnes del complex del porus

Làmina

Complex del porus nuclear.

Membrana interna

• La membrana externa presenta a la cara exterior un gran nombre de ribosomes adossats, està en comunicació amb el reticle endoplasmàtic rugós, i pot fer les mateixes funcions que aquest. • La membrana interna presenta un tipus de proteïnes de membrana que serveixen d’ancoratge per a les proteïnes que constitueixen la làmina nuclear. Aquestes són proteïnes fibril·lars que s’uneixen a la membrana interna, fixen les fibres de cromatina, i estan relacionades amb la formació dels porus. L’ embolcall nuclear està perforat per un elevat nombre de porus, els anomenats porus nuclears, la quantitat dels quals augmenta quan s’incrementa l’activitat cel·lular. Els porus nuclears són orificis d’uns 800 Å de diàmetre. Cada porus té una sèrie de proteïnes que el circumden, anomenada complex del porus nuclear. Es tracta d’una estructura discoïdal que presenta a la perifèria, tant a dalt com a baix, vuit grànuls o masses de ribonucleoproteïnes que formen un anell. La llum del canal està tapada per vuit partícules proteiques còniques que deixen un canal de tan sols uns 100 Å de diàmetre i que pot estar obturat per una proteïna central. A causa d’això, els porus poden regular el pas no tan sols de subunitats ribosòmiques, sinó fins i tot de proteïnes de mida petita. L’ embolcall nuclear té tres funcions:

• Separa el nucleoplasma del citosol. Això permet evitar que molts dels enzims sintetitzats al citoplasma puguin intervenir dins del nucli. • Regula l’intercanvi de substàncies a través dels porus. Per exemple, l’entrada de nucleòtids, dels enzims DNA-polimerases i RNA-polimerases, i d’histones, i la sortida d’RNAm i de les subunitats ribosòmiques. • La làmina nuclear intervé en la constitució dels cromosomes al començament de la divisió cel·lular i en la distribució de les masses de cromatina en el nou nucli. Això és possible gràcies als punts d’unió entre la làmina nuclear i les fibres de DNA. La làmina nuclear també intervé en la formació de l’embolcall nuclear de la cel·lula filla gràcies a la unió de la làmina nuclear amb la membrana. Activitats 30 Què succeiria si no existissin els porus nuclears? Dóna’n una resposta detallada. 31 Per què cal que els porus nuclears estiguin envoltats d’un anell proteic? 32 Què passaria si, com succeeix en les cèl·lules procariotes, no hi hagués embolcall nuclear? 33 Per què la làmina nuclear pot reconstituir els cromosomes? I l’embolcall nuclear?

150

unitat 8

8.4. El nuclèol El nuclèol és un corpuscle esfèric sense membrana, d’un diàmetre d’entre 1 i 3 μm, i que es troba a l’interior del nucli en interfase. De vegades n’hi ha dos o, excepcionalment, com succeeix en els oòcits dels amfibis, n’hi pot haver centenars. Durant la divisió del nucli el nuclèol desapareix, i quan els cromosomes es desespiralitzen per constituir un nucli nou, es torna a formar a partir d’aquests. El nuclèol està constituït bàsicament per RNA i per proteïnes. S’hi distingeixen dues zones: • La zona fibril·lar. Generalment és a l’interior. Està constituïda per RNA nucleolar (RNAn) de 45 S associat a proteïnes. • La zona granular. Generalment és a la perifèria. Està constituïda per RNA ribosòmics (RNAr) de 28 S, 18 S, 5,8 S i 5 S, associats a proteïnes, formant les subunitats ribosòmiques de 60 S i 40 S, que després sortiran pels porus nuclears al citosol. Aquestes subunitats s’uneixen en el moment de la síntesi de proteïnes.

Nuclèol en el nucli d’una cèl·lula pancreàtica.

La funció del nuclèol és fabricar l’RNA nucleolar (RNAn), que després es converteix en els diferents RNAr, que són imprescindibles per a la formació dels ribosomes, que són els responsables de la síntesi proteica. La zona fibril·lar s’origina a partir dels sectors de les fibres de DNA que contenen els gens amb informació per a la síntesi de l’RNA nucleolar. Són els anomenats organitzadors nucleolars. Com que contenen diversos gens iguals, un a continuació de l’altre, i són transcrits contínuament per diferents RNA-polimerases (fins a unes cent alhora), es formen una sèrie d’RNAn de diferents longituds, que constitueixen les anomenades estructures plomoses. La zona granular s’origina en desprendre’s les fibres d’RNAn i condensar-se juntament amb les proteïnes ribosòmiques que han arribat fins al nuclèol, procedents del citosol, a través dels porus nuclears.

Estructures plomoses de la zona fibrilar del nuclèol.

La mida del nuclèol és més gran en les cèl·lules que requereixen un nombre elevat de ribosomes perquè duen a terme una elevada síntesi proteica. S’ha comprovat que, si es destrueix el nuclèol, al cap d’un cert temps comencen a escassejar els ribosomes al citosol. Sentit de la transcripció

Unitat de transcripció nucleolar en activitat Organitzador nucleolar ➤

DNA del cromosoma nucleolar

Gen 5 S

Zona fibril·lar 45 S

Zona granular 20 S

Preribosomes 18 S

5S

32 S 5 S 28 S – 5,8 S 5S

DNA d’un cromosoma que porta els gens 5S

NUCLEOPLASMA

HIALOPLASMA

Subunitat ribosòmica petita 40 S

Proteïnes nucleosòmiques i nucleolars

Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

Subunitat ribosòmica gran 60 S

POLISOMA

Embolcall nuclear

Proteïnes ribosòmiques 5S ARNm

Esquema del funcionament del nuclèol. 151

8.5. El nucleoplasma El nucleoplasma o carioplasma és el medi intern del nucli. És una dispersió col·loïdal en estat de gel, composta de proteïnes, de nucleòtids d’RNA i DNA, i d’aigua i ions. El nucleoplasma és el medi on té lloc tant la síntesi dels àcids ribonucleics (RNAm, RNAt i RNAn) com la síntesi (replicació) del DNA nuclear. Conté una xarxa de proteïnes fibril·lars que constitueix una estructura tridimensional i manté fixos el nuclèol i els diferents sectors de les fibres de cromatina. D’aquesta manera s’evita la formació de nusos. Altres proteïnes estan relacionades amb la síntesi i els empaquetaments dels àcids nucleics (enzims polimerases, ribonucleoproteïnes i histones). El nom de cromatina deriva de la forta coloració (chroma en grec significa ‘color’) que adquireix quan la cèl·lula es tenyeix amb colorants bàsics (hematoxilina, fucsina, safranina, etc.).

8.6. La cromatina La cromatina és la substància fonamental del nucli cel·lular. Està constituïda per tots els filaments de DNA en diferents graus de condensació. Hi ha tants filaments com cromosomes presenta la cèl·lula durant la divisió del nucli. Aquests filaments formen cabdells que se situen adossats a la làmina nuclear o en contacte amb el nuclèol. Els cabdells, observats amb el microscopi electrònic, es presenten com masses amorfes, atès que la seva elevada compactació no permet observar-ne l’estructura interna. La cromatina es forma a partir dels cromosomes que es descondensen quan finalitza la divisió del nucli. Utilitzant colorants bàsics es poden distingir dos tipus de cromatina: l’heterocromatina, que és la cromatina que no es descondensa durant la interfase, i l’eucromatina, que és la que sí que es descondensa durant la interfase.

Activitats 34 Quines són les molècules més abundants del nucleoplasma? Per què? 35 De quina manera ajuda el nucleoplasma a evitar una mobilitat excessiva del nuclèol i de la cromatina? 36 A què és deguda l’existència d’una zona granular al nuclèol? 37 Per què hi ha una determinada quantitat de DNA als nuclèols? Per què les cèl·lules secretores tenen una quantitat més gran de nuclèols? 38 Descriu, ajudant-te del dibuix de la pàgina 151, els gens d’RNAn, el DNA no transcrit, l’RNA de 45 S i el sentit de la transcripció.

152

Així mateix, es diferencien dos tipus d’heterocromatina: l’heterocromatina constitutiva, que és la que es manté condensada en totes les cèl·lules de l’organisme, i l’heterocromatina facultativa, que està condensada en unes cèl·lules però no en d’altres del mateix organisme. La cromatina del nucli en repòs està constituïda, bàsicament, per la fibra de cromatina de 100 Å, que també rep el nom de collaret de perles (també s’anomena filament nucleosòmic, per correspondència amb l’antic concepte de cromonema). El collaret de perles es pot presentar, en part, enrotllat sobre si mateix, formant una fibra de 300 Å de diàmetre, i, fins i tot, en una petita proporció, pot tenir graus superiors d’empaquetament. Això depèn del tipus de cèl·lula i de l’estat en què es trobi el nucli interfàsic. Al nucli dels espermatozoides, la cromatina es troba en un estat diferent anomenat estructura cristal·lina. La cromatina té dues funcions: • Conté la informació biològica de l’organisme, és a dir, la informació sobre la seva estructura i funcionament, i és l’encarregada de duplicar-la abans d’iniciarse la divisió cel·lular. Per fer-ho, cada molècula de DNA origina dues molècules iguals, que queden unides per un punt i que s’enrotllen sobre si mateixes formant les dues cromàtides d’un cromosoma. • Proporciona la informació genètica necessària per efectuar, per mitjà de la transcripció, la síntesi dels diferents RNA. L’ RNApolimerasa pot fer la transcripció a les regions d’eucromatina en què les fibres de DNA estan poc plegades (100 Å). En canvi, a les regions d’heterocromatina, en què les fibres de DNA estan fortament condensades (300 Å o més), no s’hi pot fer la transcripció. unitat 8

8.7. Els cromosomes

Divisió cel·lular per mitosi. Procés mitjançant el qual, a partir d’una cèl·lula mare, neixen dues cèl·lules filles amb idèntica dotació cromosòmica que la progenitora. La divisió del nucli o mitosi es duu a terme en quatre fases: profase, metafase, anafase i telofase.

Un cromosoma és una estructura, generalment en forma de bastonet, constituïda per la condensació sobre si mateixa d’una fibra de cromatina de 300 Å (DNA i histones) que apareix en iniciar-se la divisió del nucli (cariocinesi), quan es trenca l’embolcall nuclear. Es tenyeix fortament amb colorants bàsics i aquest és precisament l’origen del seu nom, que deriva de les paraules gregues chromos i soma, que signifiquen ‘color’ i ‘cos’, respectivament. El nombre de cromosomes és constant en totes les cèl·lules somàtiques (cèl·lules no especialitzades en la reproducció sexual) de tots els individus d’una mateixa espècie, però varia segons l’espècie. Per exemple, en les cèl·lules somàtiques humanes hi ha 46 cromosomes; en les dels ximpanzés i els goril·les, 48, en les del pollastre, 78; en les del pi, 24, i en les dels escorpins, 6. Quan s’inicia la divisió cel·lular* es produeix una duplicació del DNA, i com a conseqüència apareixen dues fibres de DNA idèntiques, fortament replegades sobre si mateixes, anomenades cromàtides, que queden unides per un Partícula nuclear punt anomenat centròmer (es mantenen així durant la profase i la metafase). Posteriorment, aquestes dues cromàtides se separen i cadascuna dóna lloc a un cromosoma (en l’anafase i la telofase). Així doncs, segons DNA NUCLEOSOMA el moment de la divisió cel·lular, es espaiador (200 parells de bases) poden distingir dos tipus de cromo(54 parells de bases) somes: el cromosoma metafàsic, que té dues cromàtides unides, i el cromosoma anafàsic, que en té una de sola. Fibra de cromatina de 100 Å (forma condensada) Un cromosoma presenta una constricció primària o centròmer, del qual parteixen dos braços cromosòmics. La part distal dels braços rep el nom de telòmer. De vegades hi ha constriccions secundàries als braços que, si se situen prop del telòmer, donen lloc a un segment curt que rep el nom de satèl·lit. Al centròmer hi ha dues estructures proteiques de forma discoïdal, anomenades cinetocors, que actuen com a centres organitzadors de microtúbuls. A partir dels cinetocors s’originen microtúbuls, que formen part del fus acromàtic quan s’han de moure els cromosomes. Hi ha una constricció secundària en la qual es troben els gens que codifiquen l’RNA nucleolar, anomenada organitzador nucleolar.

La funció bàsica dels cromosomes és facilitar el repartiment de la informació genètica continguda al DNA de la cèl·lula mare entre les seves dues cèl·lules filles. Per fer-ho, prèviament s’ha de duplicar aquesta informació. El DNA dels cromosomes es troba inactiu, ja que està tan fortament empaquetat que no es pot transcriure. Tan sols en alguns casos, com en els cromosomes gegants*, es poden produir transcripcions de gens. Un altre dels casos en què es pot donar transcripció és en els anomenats cromosomes plomosos, que apareixen durant l’ovogènesi dels amfibis. Les fibres del DNA estan molt laxes en els cromosomes plomosos i es poden observar les típiques formes de «ploma» o de «fronda» del DNA juntament amb els RNA transcrits. Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

Cromosomes gegants. Cromosomes politènics, és a dir, sorgits de duplicacions successives de la fibra de DNA sense que es produeixi una separació posterior de les còpies. S’ajunten en una zona anomenada cromocentre. Es troben, per exemple, en les glàndules salivals de Drosophila melanogaster.

Fibra de cromatina de 100 Å (forma laxa)

100 Å

100 Å

CROMATOSOMA

600 Å (166 parells de bases)

Estructura de la cromatina en collaret de perles.

Telòmer Constricció secundària Braç llarg

Constricció primària Organitzador nucleolar

Cinetocor

Braç curt Cromosoma anafàsic

Telòmer

Cromàtides

Constricció secundària

Telòmer

Braços

Cinetocor Organitzador nucleolar

Centròmer Organitzador nucleolar

Satèl·lits Cromosoma metafàsic

Morfologia dels cromosomes anafàsic i metafàsic. 153

a

a) Cromosomes tenyits mitjançant una de les tècniques de bandes cromosòmiques. b) Cromosomes observats amb el microscopi electrònic.

Gametòfit. Estructura de les plantes en què s’originen els gàmetes. En les molses, el que normalment veiem és el gametòfit; en les falgueres, el gametòfit és molt reduït (protal·lus); en les plantes amb flors (angiospermes i gimnospermes), el gametòfit no té vida independent i queda reduït a l’interior de les flors.

b

8.8. L’observació dels cromosomes Els cromosomes poden observar-se amb el microscopi òptic. Es tenyeixen utilitzant diferents tècniques: • Mètode de Feulgen. És un mètode de tinció amb colorants bàsics, com ara la fucsina. Es veuen regions molt tenyides (regions heterocromàtiques) i regions dèbilment tenyides (regions eucromàtiques). Aquest fet es relaciona amb diferents graus de condensació del DNA. En els cromosomes humans, l’heterocromatina constitutiva es troba localitzada al costat del centròmer (en altres mamífers també la trobem en els telòmers) i en bandes al llarg de tot el cromosoma. • Tècniques de bandes cromosòmiques. Són diversos mètodes de tinció que permeten distingir una sèrie de bandes de diferent intensitat. Gràcies a aquestes tècniques es poden detectar alteracions en l’estructura interna dels cromosomes. El significat d’aquestes bandes no és clar en nombroses espècies. Sí que es coneix, en canvi, en els anomenats cromosomes gegants, com els de les glàndules salivals de Drosophila. Metacèntric

Tipus de cromosomes Segons la posició del centròmer, es distingeixen quatre formes de cromosomes:

Submetacèntric

Acrocèntric

Telocèntric

154

• Cromosoma metacèntric. És el que presenta el centròmer a la part intermèdia del cromosoma. • Cromosoma submetacèntric. És el que presenta els braços cromosòmics lleugerament desiguals. • Cromosoma acrocèntric. És el que presenta els braços cromosòmics molt desiguals. • Cromosoma telocèntric. És el que presenta el centròmer a la regió del telòmer. unitat 8

8.9. Diploïdia i cromosomes sexuals Cada espècie té un nombre concret de cromosomes a les cèl·lules, i tots els individus d’una espècie tenen el mateix nombre de cromosomes.

• Els organismes diploides són els que tenen dos exemplars de cada cromosoma en les cèl·lules somàtiques. Així, cada una de les cèl·lules (excepte les cèl·lules reproductores) d’un ésser viu diploide té dos jocs de cromosomes, l’un heretat del pare i l’altre heretat de la mare. S’anomenen cromosomes homòlegs els que tenen informació (igual o diferent) sobre els mateixos caràcters. Les cèl·lules dels organismes diploides se simbolitzen com a cèl·lules 2n, en què n és el nombre de tipus de cromosomes diferents. La majoria de les espècies animals, les plantes gimnospermes i angiospermes i els fongs són diploides. • Les cèl·lules reproductores sexuals, com els gàmetes (òvuls i espermatozoides) i les meiòspores dels fongs, les molses i les falgueres són haploides, és a dir, amb un sol exemplar de cada tipus, fet que se simbolitza com a cèl·lules n. El gametòfit* de les molses i les falgueres també és haploide.

➤

Els cromosomes que es troben en el nucli d’una cèl·lula es poden distingir entre si per la longitud, per la posició del centròmer i, si cal, per la posició de les bandes. D’aquesta manera, podem saber quants cromosomes diferents té un ésser viu. + (XX)

(XY)

+ (XXX) «mutant triple X»

Nuclis de les cèl·lules epitelials de la mucosa bucal humana en els quals s’aprecia el corpuscle de Barr.

El conjunt de tots els cromosomes metafàsics d’una cèl·lula, ben separats entre si, s’anomena cariotip. La representació gràfica o fotogràfica de les parelles de cromosomes homòlegs, ordenats de més gran a més petit, rep el nom d’idiograma. Els cromosomes que determinen el sexe s’anomenen heterocromosomes o cromosomes sexuals, i se simbolitzen amb les lletres X i Y. La resta dels cromosomes reben el nom d’autosomes. En les cèl·lules humanes, en les quals hi ha 46 cromosomes, s’hi distingeixen dos heterocromosomes (dos cromosomes X en les dones i un cromosoma X i un altre Y en els homes) i 44 autosomes (dos exemplars de cadascun dels 22 tipus d’autosomes). Així doncs, les dones presenten 23 tipus de cromosomes diferents, i els homes, 24. El cromosoma Y en general és molt petit. Moltes espècies no en tenen, per la qual cosa un sexe està determinat pel fet de posseir dos cromosomes X i l’altre pel fet de posseir-ne només un. El terme heterocromosomes prové del fet que aquests cromosomes estan condensats, totalment o parcialment, en forma d’heterocromatina, al nucli interfàsic. En les femelles dels mamífers, un dels dos cromosomes X es condensa totalment durant la interfase, perquè la manifestació dels gens dels dos cromosomes X podria resultar letal per a l’individu. Es tracta d’un exemple d’heterocromatina constitutiva. En les dones, un dels cromosomes X forma una estructura compacta a la perifèria del nucli interfàsic anomenada corpuscle de Barr, la qual cosa permet conèixer el sexe de l’individu amb la simple observació amb el microscopi d’una de les cèl·lules. Les dones presenten un corpuscle, i els homes, cap. Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

Idiograma de saltamartí mascle.

Activitats 39 Raona la frase següent: «L’heterocromatina facultativa representa el conjunt de gens que, de manera específica, s’inactiven al llarg de la diferenciació cel·lular». 40 Hi pot haver cèl·lules somàtiques amb un nombre senar de cromosomes? I gàmetes? 41 Quants corpuscles de Barr presenta en cada cèl·lula un home afectat de síndrome de Klinefelter (individu amb dos cromosomes X i un cromosoma Y)?

155

Activitats 42 Indica en quins orgànuls es duen a terme els processos bioquímics següents:

46 L’esquema següent correspon a dos processos que es donen en les cèl·lules eucariotes. Quins són els noms de les estructures A, B, C i D, i quin nom reben el procés 1 i el procés 2?

• Fosforilació oxidativa (síntesi d’ATP amb concurs d’oxigen). • Regulació de la pressió osmòtica.

A 5’

3’

B

• Glicosilació.

procés 1

• Síntesi de proteïnes. C

• Formació de colesterol. • Degradació d’àcids grassos. • Síntesi d’àcids grassos.

procés 2

• Formació de proteoglicans. • Procés de fotosíntesi. D

• Formació de glicolípids. 43 Quines són les estructures micrografiades, quines són les seves parts i quines les seves funcions principals?

E Activitats extretes de les PAU de Catalunya.

a

47 Quin procés està representat en la imatge següent? Quin paper té el material del nucli en aquest procés?

b

44 Quina relació hi ha entre el reticle endoplasmàtic, l’aparell de Golgi i els lisosomes? 45 Quines són les estructures micrografiades que s’han assenyalat? Es tracta d’una cèl·lula procariota, d’una cèl·lula eucariota vegetal o d’una cèl·lula eucariota animal? Justifica la resposta.

a

c

156

b

48 Relaciona els conceptes indicats en la primera columna amb els orgànuls indicats en la segona columna. Conceptes

Orgànuls

Es troba només en cèl·lules vegetals Dictiosoma Produeix el precursor de l’RNAr La fase lluminosa de la fotosíntesi La fase fosca de la fotosíntesi El cicle de Krebs Lloc on se sintetitza la major part de l’ATP en les cèl·lules animals 8. Orgànul on es produeix la síntesi de lípids 9. Orgànul on es troben els enzims hidrolítics 10. Orgànul on se sintetitzen i emmagatzemen moltes proteïnes

a) Aparell de Golgi b) Matriu mitocondrial c) Plastidi d) Estroma e) Tilacoides f) Reticle endoplasmàtic llis g) Nuclèol h) Crestes mitocondrials i) Reticle endoplasmàtic rugós j) Lisosomes

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

unitat 8

49 Indica si les afirmacions següents són certes (C) o falses (F). a) El reticle endoplasmàtic llis està constituït per túbuls i cisternes aplanades i està comunicat amb el RER. b) El reticle endoplasmàtic s’obre a l’exterior pels porus de la membrana plasmàtica. c) Les vesícules de Golgi contenen proteïnes que provenen del reticle endoplasmàtic. d) En els mitocondris hi ha DNA monocatenari circular. e) Les cèl·lules eucariotes solen mesurar 0,010 mil·límetres de diàmetre.

Interpretació de dades Aquesta fotografia mostra el conjunt ordenat de cromosomes d’una cèl·lula humana, és a dir, el cariotip de l’individu. Per obtenir-la, s’ha creat un medi adequat per a la generació de monòcits i s’hi ha afegit colquicina, una substància que interromp la mitosi perquè impedeix la formació del fus acromàtic. Posteriorment, s’ha afegit aigua destil·lada al medi per aconseguir que, per osmosi, la cèl·lula s’infli i conseqüentment es dispersin els cromosomes. Finalment, s’han tenyit els cromosomes amb orceïna acètica i se n’han fet fotografies a través del microscopi.

f) Els peroxisomes són uns orgànuls rics en una hormona anomenada peroxidasa. g) Les reaccions que tenen lloc en els peroxisomes bàsicament originen oxigen. h) Els amiloplasts són plastidis en els quals s’emmagatzema midó. i) Els cloroplasts són uns orgànuls propis d’algunes cèl·lules vegetals, que contenen a l’estroma el pigment clorofil·la. j) Tot el DNA de les cèl·lules eucariotes es troba en el nucli. 50 Fes un dibuix de l’estructura interna d’un cloroplast i d’un mitocondri i indica’n els noms de totes les parts i del contingut. Indica’n la grandària, la funció i el tipus de cèl·lules en les quals es troben cadascun d’aquests dos orgànuls. 51 Per què diem que els mitocondris i els cloroplasts són orgànuls productors d’energa química? 52 Fes un dibuix del funcionament de l’aparell de Golgi. Indica-hi les reaccions que tenen lloc en cadascuna de les seves estructures i la seva relació amb les altres estructures cel·lulars. 53 Fes un dibuix en el qual s’observi com es duu a terme la digestió cel·lular, els orgànuls que hi intervenen, els noms de les estructures que es formen i dels processos que es produeixen.

www

57 Quants cromosomes hi ha en la fotografia?

54 Consulta la web sobre la cèl·lula del professor Jordi Guerra. Revisa’n totes les imatges i indica amb quins augments s’ha vist l’estructura més petita i amb quins l’estructura més gran. http://www.xtec.es/~jgurrera/nucleol.htm

58 Es tracta d’una cèl·lula diploide o haploide? Quant val 2n?

55 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació, creada per Carmen Monge, i fes les activitats 10 a 18. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/ La_celula/actividades.htm

61 Quantes cromàtides té cada cromosoma? A quina fase mitòtica pertanyen?

56 Consulta la web del projecte Biosfera del Ministeri d’Educació, creada per Carmen Monge, i fes una de les activitats de recerca d’entre la 7 i la 12. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/ La_celula/actividades.htm

59 Es tracta d’un home o d’una dona? Per què? 60 Quants tipus de cromosomes hi ha? Quant val n? Quant valdria n si fos de l’altre sexe?

62 Com s’anomena el conjunt de cromosomes del requadre petit? I la resta? 63 Quins dos criteris s’han seguit per fer els set grups dels cromosomes no requadrats? 64 Els set grups s’anomenen, d’esquerra a dreta, amb les lletres A, B, C, D, E, F i G. Defineix les característiques de cada grup. 65 Tenint en compte la mida i la forma, en quins grups s’han d’incloure el cromosoma X i el cromosoma Y?

Orgànuls cel·lulars delimitats per membranes

157

Laboratori Observació de plasts i vacúols Material: microscopi, cobreobjectes, portaobjectes, bisturí, pinces, cubeta de tincions, retolador per a vidre. Productes químics: aigua corrent, Lugol, blau de metilè, eosina. Productes naturals: patata, elodea o Spirogyra (es poden trobar a les botigues d’aquariofília), tomàquet, ceba. 1. Observació de cloroplasts d’elodea o spirogyra Estén una fulla d’elodea o uns filaments de Spirogyra sobre un portaobjectes; afegeix-hi una gota d’aigua per evitar que s’assequin i col·loca-hi el cobreobjectes. Per fer l’observació és aconsellable que utilitzis els sectors més verds i, per tant, més rics en cloroplasts. Observa amb el microscopi les preparacions microscòpiques. 2. Observació de cromoplasts del tomàquet

Cloroplasts.

Fes un tall fi de la polpa d’un tomàquet, aproximadament d’un o dos mil·límetres, i col·loca’l sobre el portaobjectes sense afegir-hi aigua. Posa-hi el cobreobjectes i aixafa-ho suaument. Observa-ho amb el microscopi òptic. 3. Observació d’amiloplasts de la patata Talla un tros de patata i rasca suaument amb el bisturí la superfície tallada. Diposita en un portaobjectes el material resultant i estén-lo amb molta cura. Deixa-ho assecar. Després, afegeix-hi una gota de Lugol i deixa-ho així dos minuts. Col·loca-hi el cobreobjectes i observa-ho amb el microscopi òptic. Els grans de midó es veuen tenyits de blau marí fort a causa del Lugol. En cada gra es poden distingir les línies de creixement a partir d’un punt inicial (hil). 4. Observació de vacúols d’epidermis de ceba Talla amb el bisturí un sector petit d’una capa d’un bulb de ceba, separa’n l’epidermis amb unes pinces i diposita-la sobre un portaobjectes. Col·loca-hi una gota de blau de metilè. Repeteix l’operació, però ara fes la tinció amb una gota d’eosina. Passats uns 5 minuts, renta les dues preparacions, posa-hi una gota d’aigua i tapa-ho amb el cobreobjectes. Observa-ho amb el microscopi òptic. Amiloplasts.

Practica 66 OBSERVACIÓ DE CLOROPLASTS. Dibuixa una cèl·lula d’elodea o de Spirogyra. Descriu-la i indica-hi la mida dels cloroplasts que has observat. 67 OBSERVACIÓ DE CROMOPLASTS. Descriu i dibuixa tant la cèl·lula com la forma, la mida i la distribució dels cromoplasts de color vermellós del tomàquet.

158

68 OBSERVACIÓ D’AMILOPLASTS. Descriu i dibuixa la forma, la mida i l’aspecte dels amiloplasts de la patata. 69 OBSERVACIÓ DE VACÚOLS. Descriu i dibuixa la cèl·lula i la forma, la mida i la distribució dels vacúols. Quins diferents resultats han provocat els dos colorants que has utilitzat?

unitat 8

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

9

CONTINGUTS

1 Tipus de divisió cel·lular 2 La divisió generadora de cèl·lules amb el mateix nombre de cromosomes 3 La divisió generadora de cèl·lules amb la meitat de cromosomes 4 La funció de relació cel·lular

El tret més característic dels éssers vius és la capacitat reproductora, gràcies a la qual la vida s’ha estès per tot el planeta i s’ha perpetuat al llarg de milions d’anys. Un postulat clàssic de la biologia resumeix la funció reproductora d’aquesta manera: «Omne vivum ex vivo» (tot ésser viu ve d’un altre ésser viu). La mateixa idea, però referint-se a la cèl·lula, la va enunciar el metge alemany Virchow amb una altra frase molt similar: «Omnis cellula ex cellula» (tota cèl·lula prové d’una altra cèl·lula). • Recordes quines són les fases de la reproducció d’una cèl·lula? Mitosi en cèl·lules vegetals.

1 Tipus de divisió cel·lular En les espècies eucariotes pluricel·lulars es poden distingir dos tipus de cèl·lules: les cèl·lules diploides, que són les que tenen dos exemplars de cada tipus de cromosoma, i que se simbolitzen com a cèl·lules 2n (en què n és el nombre de tipus diferents de cromosomes presents en cada cèl·lula), i les cèl·lules haploides, que són les que tenen un sol exemplar de cada tipus de cromosoma, i que se simbolitzen com a cèl·lules n. Per exemple, en la dona, en la qual n és 23, les cèl·lules diploides, que són les que constitueixen l’estructura del cos i que s’anomenen cèl·lules somàtiques, tenen 46 cromosomes, mentre que les cèl·lules haploides o òvuls, que són les que serveixen per generar nous individus i que s’anomenen cèl·lules reproductores, tenen 23 cromosomes. Basant-se en aquesta dualitat, es distingeixen dos tipus de divisió cel·lular: la divisió generadora de cèl·lules amb el mateix nombre de cromosomes que la cèl·lula mare, en les quals hi ha un procés de divisió nuclear anomenat mitosi, i la divisió generadora de cèl·lules amb la meitat de cromosomes que la cèl·lula mare, procés que rep el nom de meiosi.

2 La divisió generadora de cèl·lules

amb el mateix nombre de cromosomes 2.1. La vida de la cèl·lula Totes les cèl·lules, després d’un temps més o menys llarg, es reprodueixen, és a dir, donen lloc a noves cèl·lules, o moren. En els dos casos, la cèl·lula inicial deixa d’existir. En la vida cel·lular es poden distingir quatre etapes: naixement, creixement, diferenciació i reproducció o mort. La durada de la vida cel·lular és molt variable. Per exemple, en el cos humà hi ha cèl·lules que es reprodueixen ràpidament, com les de l’epiteli intestinal, les de l’epiteli pulmonar i les de la pell. Algunes d’aquestes tan sols tarden vuit hores a dividir-se. A l’altre extrem hi ha les cèl·lules que han perdut la capacitat de reproducció i el final de les quals és sempre la mort cel·lular; per exemple, els eritròcits, les cèl·lules musculars estriades i les neurones. Els eritròcits provenen de cèl·lules que han perdut el nucli i, per tant, no es poden reproduir. Viuen uns 110 dies circulant per la sang. Les cèl·lules de les fibres musculars esquelètiques i les neurones, que són cèl·lules molt especialitzades, tampoc tenen capacitat de reproducció. Se solen mantenir vives durant anys, la gran majoria durant tota la vida de l’individu. La mort cel·lular se sol donar per autòlisi a partir de la ruptura dels lisosomes. Aquest procés rep el nom d’apoptosi.

Parameci en divisió. Els organismes unicel·lulars es reprodueixen i creixen de manera molt ràpida. 160

En general, la durada de la vida de la majoria de les cèl·lules animals oscil·la entre unes vuit hores i una mica més de cent dies. Durant la vida de la cèl·lula, no es mantenen els mateixos orgànuls, sinó que aquests es renoven constantment. Així doncs, les membranes citoplasmàtiques i les membranes del sistema endomembranós (reticle endoplasmàtic, aparell de Golgi, vesícules, etc.) es reciclen contínuament, i els cloroplasts i els mitocondris es divideixen periòdicament per donar lloc a nous cloroplasts i nous mitocondris. Per exemple, en els hepatòcits humans (cèl·lules del fetge), que solen viure uns 150 dies, els mitocondris no duren més de deu dies, per la qual cosa s’han de dividir almenys unes quinze vegades. En realitat, els lisosomes en destrueixen molts abans que arribin a dividir-se. unitat 9

En els organismes unicel·lulars, l’evolució ha afavorit el creixement i la reproducció ràpids, és a dir, la vida cel·lular curta. Això afavoreix la gènesi ràpida de variabilitat en la població d’organismes unicel·lulars i, per tant, augmenta la capacitat de supervivència de l’espècie.

2.2. El ritme de reproducció cel·lular L’existència en els organismes pluricel·lulars de cèl·lules que viuen menys temps que l’individu implica la necessitat d’un ritme de reproducció cel·lular que, com a mínim iguali el ritme de cèl·lules que moren. En el cos humà, per exemple, que està constituït per unes 1013 cèl·lules, hi ha una taxa de generació de milions de cèl·lules per segon, simplement per poder mantenir l’equilibri amb les que moren. El ritme de reproducció cel·lular depèn fonamentalment del tipus de cèl·lula, com ja s’ha comentat. A més, s’ha observat que, molt sovint, la divisió cel·lular es dóna quan: • Hi ha un augment tal de la mida del citoplasma que la relació entre el volum del nucli i del citoplasma, l’anomenada relació nucleoplasmàtica (RNP), es fa inferior a un valor determinat, i el nucli resulta insuficient per controlar un citoplasma tan gran. • Hi ha un augment tal de la mida total de la cèl·lula que la relació entre la superfície i el volum és massa petita. És a dir, quan la superfície de la membrana plasmàtica, a través de la qual entra l’aliment, és insuficient per nodrir el citoplasma que conté. Això és degut al fet que, mentre que la superfície creix segons el radi al quadrat, el volum cel·lular ho fa segons el radi al cub. • Hi ha contacte amb una superfície externa, com per exemple la formada per la matriu extracel·lular d’una capa de cèl·lules. És l’anomenada dependència d’ancoratge. • Hi ha l’anomenada disponibilitat d’espai, tal com succeeix amb les cèl·lules de les vores d’una ferida, en les quals no hi ha l’anomenat efecte inhibidor per contacte, també anomenat efecte inhibidor per densitat. • En el medi hi ha determinades substàncies químiques que poden ser hormones, com les necrohormones produïdes per les cèl·lules lesionades, les auxines en els vegetals o les hormones hipofisàries en els animals, etc. Aquestes substàncies s’anomenen factors de creixement i també agents mitògens.

Les cèl·lules meristemàtiques de les arrels de les plantes tenen un ritme de reproducció elevat.

Les dues primeres causes són internes, mentre que les tres darreres són externes. Totes elles actuen a través de substàncies (ciclines i cinases) que influeixen en el cicle cel·lular. Quan les cèl·lules es divideixen incessantment sense control es produeix un tumor. Si les cèl·lules es mantenen en el seu lloc s’anomena tumor benigne, però si envaeixen els teixits i els òrgans veïns i n’alteren el funcionament s’anomena tumor maligne o càncer. A més d’haver-hi un control del ritme de divisió cel·lular, hi ha un control sobre el tipus de cèl·lules que s’han de formar, és a dir, sobre l’anomenat procés de diferenciació cel·lular, que dóna lloc als diferents tipus de cèl·lules especialitzades.

Les auxines són hormones vegetals que controlen el creixement de les plantes.

Activitats 1 Com es diu el procés embrionari en què d’una cèl·lula mare indiferenciada s’originen dos o més tipus de cèl·lules especialitzades, és a dir, de diferents tipus de teixits? 2 Quins orgànuls són els responsables de dur a terme la mort programada de la cèl·lula o apoptosi? 3 En un determinat teixit s’observa que fins que la RNP (relació nucleoplasmàtica) no és inferior a 0,02 no s’inicia

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

la divisió cel·lular. Considerant que el nucli no creix i que mesura 2 μ de diàmetre, calcula fins quin volum pot créixer una d’aquestes cèl·lules sense dividir-se. 4 Per què les persones que tenen un càncer, segons com siguin les seves cèl·lules canceroses, reben un tractament que disminueix la concentració de determinades hormones en la sang?

161

2.3. El cicle cel·lular El cicle cel·lular o cicle vital d’una cèl·lula comprèn el període de temps que va des que es forma la cèl·lula, és a dir, des que neix, fins que es divideix i genera noves cèl·lules.

G0

G1 (11 h) M (1 h)

S (8 h) G2 (4 h)

Profase Metafase Anafase Telofase

Cicle cel·lular.

En un cicle cel·lular es diferencien dues etapes, fàcilment distingibles si s’observa la cèl·lula amb un microscopi: una etapa inicial de llarga durada, en què la cèl·lula presenta nucli, anomenada interfase, i una etapa final curta, en què la cèl·lula presenta cromosomes, anomenada divisió, ja que la cèl·lula finalment dóna lloc a dues cèl·lules filles. Al final de la interfase és quan es fa la duplicació del DNA. Això permet que després, durant la divisió, cada cèl·lula filla pugui rebre la mateixa quantitat de DNA (el mateix nombre de cromosomes) que tenia la cèl·lula mare. La interfase, o etapa de no-divisió, consta de tres fases anomenades G1, S i G2, en les quals el nucli cel·lular no canvia de forma i s’anomena nucli interfàsic. L’etapa de divisió consta d’una sola fase anomenada fase M (M de mitosi), en la qual el nucli es desintegra i al seu lloc apareixen els cromosomes. Comprèn la divisió del nucli o mitosi, també anomenada cariocinesi, i la divisió del citoplasma o citocinesi. Les fases G1, S i G2 són períodes bioquímicament molt actius, ja que s’hi produeix la síntesi de totes les substàncies pròpies de la cèl·lula, incloent-hi el DNA, però en els quals no hi ha repartiment del DNA. Al contrari, en la fase M, la síntesi bioquímica és mínima, i l’activitat cel·lular està gairebé exclusivament centrada en el repartiment del DNA entre les dues cèl·lules filles. La fase M tan sols dura una desena part, o fins i tot menys, del total del cicle cel·lular. Si aquest, per exemple, fos de 24 hores, la fase M duraria tan sols una o dues hores.

2.4. La interfase La interfase inclou les fases G1, S i G2. La fase S (S de l’anglès synthesis) és el període en el qual es produeix la duplicació del DNA, la qual cosa és imprescindible perquè després es pugui fer la mitosi, és a dir, el repartiment. La fase G1 (G de l’anglès gap, que significa ’interval’) va des que neix la cèl·lula fins que arriba a la fase S, i la fase G2 va des que acaba la S fins que s’inicia la divisió cel·lular o fase M. • Fase G1. En aquesta fase es produeix la síntesi d’RNAm i, consegüentment, de proteïnes. La cèl·lula presenta un sol diplosoma (dos centríols). La durada, a l’inrevés que en les altres fases, varia segons el tipus de cèl·lula. D’aquesta fase depèn la diferent durada total del cicle cel·lular. En un cicle vital de 24 hores, aquesta fase duraria 11 hores, però en altres cicles pot durar dies o anys. Al final de G1 es distingeix un moment de no-retorn, anomenat punt de control G1, que en les cèl·lules dels mamífers s’anomena punt de restricció o punt R, a partir del qual ja és impossible impedir que se succeeixin les fases S, G2 i M. En algunes cèl·lules, abans d’arribar al punt R, es comencen a manifestar alguns gens concrets, per la qual cosa al final es transformen en les cèl·lules especialitzades del teixit que aquests determinen. Aquest procés s’anomena diferenciació cel·lular. Així poden quedar dies o mesos sense assolir el punt R. En aquests casos es diu que les cèl·lules han entrat en la fase G0. Posteriorment, sota l’efecte d’activadors mitòtics, com ara determinades hormones, poden tornar a la fase G1 i assolir el punt R. En els casos de cèl·lules molt especialitzades, com les neurones o les cèl·lules musculars esquelètiques, queden detingudes en el període G0, per la qual cosa no arriben mai a assolir la fase S i, en conseqüència, no es poden dividir. 162

unitat 9

Nuclèol

Ulls de duplicació del DNA

RNAm RNAm Nuclèol difús Nuclèol Complex de transcripció S Centròmer

G2

G1

Heterocromatina M Eucromatina Heterocromatina Nuclèol en formació

Cromàtides germanes

Cromàtides en condensació TELOFASE

ANAFASE

METAFASE

PROFASE

Transformacions d’un cromosoma durant el cicle cel·lular.

• Fase S. És la fase en la qual es produeix la duplicació del DNA. Per això, quan posteriorment, durant la mitosi, el DNA es condensi per formar els cromosomes, aquests en lloc de constar d’una sola molècula de DNA, és a dir, d’una cromàtide, constaran de dues cromàtides unides pel centròmer. En la fase S continua la síntesi de l’RNAm i de proteïnes, sobretot d’histones. Juntament amb cada centríol es forma un esbós de centríol anomenat procentríol. En un cicle cel·lular de 24 hores, aquesta fase sol durar unes vuit hores. • Fase G2. S’inicia quan acaba la síntesi de DNA i finalitza en el moment en què ja es comencen a distingir els cromosomes. En aquesta fase, la cèl·lula conté el doble de DNA que en la fase G1. Continua la síntesi d’RNAm i de proteïnes, sobretot de la histona H1, que permet la formació de la fibra de 300 Å, i de les proteïnes que formaran els microtúbuls del fus mitòtic. Al final d’aquesta fase, la cèl·lula ja conté dos diplosomes immadurs. En un cicle cel·lular de 24 hores, aquesta fase duraria unes quatre hores. Activitats 5 Quines són les semblances i les diferències entre els termes següents: cariocinesi, citocinesi, mitosi, fase M, interfase i divisió cel·lular? 6 En la interfase cel·lular s’han determinat diferents períodes anomenats G0, S, G1, R i G2. Indica en quin ordre es donen. 7 Què és un cicle cel·lular i quines etapes té? 8 En quines etapes del cicle cel·lular es poden observar cromosomes amb dues cromàtides, en quines es poden observar cromosomes amb només una cromàtida i en quin període no s’observen cromosomes?

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

163

Punt de control G1

A FONS El control molecular del cicle cel·lular El cicle cel·lular en realitat presenta tres punts de control, el G1, el G2 i el M. Per superar cada punt cal que la cèl·lula rebi un senyal de continuació. Aquest senyal el donen unes proteïnes anomenades ciclines i cinases. Les ciclines reben aquest nom perquè la seva concentració varia cíclicament. Són la base del rellotge del cicle cel·lular. Les cinases necessiten estar unides a les ciclines per ser actives, per la qual cosa reben el nom de «cinases dependents de ciclines». El primer complex ciclina-cinasa estudiat va ser el factor promotor de la fase M (FPM), que constitueix el senyal per superar el punt de control G2 i iniciar la mitosi. S’hi poden distingir les etapes següents: 1. Augment de la síntesi de ciclina durant S i G2. 2. Unió de la ciclina amb la cinasa dependent de ciclina per formar suficient FPM, que provoca la superació del punt G2 i inicia la mitosi. 3. L’FPM provoca la fosforilació d’altres proteïnes que regulen les diferents fases de la mitosi. Arriba a la seva màxima concentració durant la metafase. 4. Durant l’anafase s’inicia la degradació de la ciclina de l’FPM, finalitza la fase M i la cèl·lula entra en la fase G1. 5. Durant la fase G1 continua la degradació de la ciclina, i la cinasa queda lliure.

G1

S G2

M

Punt de Control M

Punt de control G2

5 S

G1

1

Cinasa

Ciclina degrada

M

Augment de la ciclina

G2

4

Cinasa

2

Ciclina en degradació FPM

3

Ciclina

Cicle cel·lular.

2.5. La divisió cel·lular o fase M La divisió cel·lular o fase M del cicle cel·lular és el procés mitjançant el qual, a partir d’una cèl·lula mare, neixen dues cèl·lules filles amb idèntica dotació cromosòmica que la progenitora. La divisió cel·lular comprèn la divisió del nucli o mitosi, també anomenada cariocinesi, i la divisió del citoplasma o citocinesi. En un cicle cel·lular de 24 hores, aquesta fase duraria d’una a dues hores. Mitosi La mitosi és el tipus de divisió nuclear que es produeix quan s’han de generar cèl·lules amb el mateix nombre de cromosomes que la cèl·lula mare. La paraula mitosi deriva de mitos, que significa ’filament’ i fa referència a l’aspecte dels cromosomes en què es transforma el nucli durant aquesta etapa. En els éssers diploides es pot definir com el procés mitjançant el qual d’una cèl·lula amb 2n cromosomes s’obtenen dues cèl·lules amb també 2n cromosomes, en què n és el nombre de tipus diferents de cromosomes. És a dir: Mitosi 1 (2n) --------------------→ 2 (2n)

Desenvolupament. Conjunt de canvis que es produeixen en un individu des que es forma (zigot) fins a l’etapa adulta. Fins que els òrgans de l’ésser viu no estan diferenciats, aquest rep el nom d’embrió.

164

A causa de la mitosi, en els éssers pluricel·lulars, totes les cèl·lules somàtiques tenen la mateixa dotació cromosòmica que el zigot, és a dir, que la primera cèl·lula de l’organisme. L’existència en aquests éssers de cèl·lules especialitzades, molt diferents entre si, no és deguda a diferències en el DNA que contenen, sinó al fet que, durant el desenvolupament* embrionari, en unes s’han expressat uns gens i en d’altres uns altres, és a dir, a l’anomenada diferenciació cel·lular. Encara que la mitosi és un procés continu, per facilitar-ne l’estudi tradicionalment s’ha dividit en quatre fases anomenades profase, metafase, anafase i telofase. unitat 9

Cèl·lules en profase.

• Profase. La profase s’inicia quan es comencen a visualitzar els cromosomes, és a dir, quan les dues fibres de DNA, fibres de cromatina de 100 Å, s’enrotllen sobre si mateixes per constituir, primerament, dues fibres de 300 Å i, després, les dues cromàtides que queden unides a l’altura del centròmer, i així constitueixen el cromosoma profàsic. A causa d’aquesta condensació desapareix el nuclèol, o els nuclèols, ja que el DNA que regula la maquinària de transcripció queda empaquetat en els cromosomes. En les cèl·lules animals, els dos diplosomes immadurs, cadascun constituït per un centríol i un procentríol perpendicular a aquest, estan envoltats d’un material proteic anomenat material pericentriolar. Tot junt es diu complex centriolar. A partir del material pericentriolar es formen microtúbuls que es disposen radialment i formen les anomenades fibres de l’àster. Els dos àsters continuen la seva activitat organitzadora de microtúbuls i constitueixen unes fibres entre si anomenades fibres polars o contínues (encara que generalment no arriben a l’altre àster), l’allargament de les quals produeix la separació dels dos àsters, que queden en una posició diametralment oposada, i així constitueixen els dos pols de la cèl·lula en divisió. Les fibres polars formen l’anomenat fus mitòtic. Durant aquest procés, cada procentríol s’allarga i al final forma un nou centríol. Finalment, en l’anomenada profase tardana o premetafase, el nucli s’infla, a causa de l’entrada d’aigua, fins que es fragmenta l’embolcall nuclear i se separa la làmina fibrosa, per la qual cosa el nucleoplasma es dispersa en el citoplasma. En els cromosomes, en cadascuna de les dues cromàtides, es comença a formar, a l’altura del centròmer, el cinetocor o placa cinetocòrica, que es comporta com a centre organitzador de microtúbuls (COM). A partir dels dos cinetocors situats als dos costats del centròmer es formen els microtúbuls cinetocòrics, que formen les anomenades fibres cromosòmiques, visibles amb el microscopi òptic, que es col·loquen perpendicularment als dos costats del cromosoma. Quan s’allarguen, van separant els cromosomes i, com que el fus mitòtic ja està format, es veuen induïdes a imbricar-se al fus. Això comporta una orientació de les cromàtides, cadascuna de les quals queda orientada cap a un dels dos pols. La profase dura uns quinze minuts. La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

Constricció secundària

Cromàtides germanes

Placa cinetocòrica o cinetocor

Constricció primària o centròmer

Microtúbul cinetocòric

Cromosoma metafàsic

Posició dels cinetocors. 165

Metafase.

a) Anafase. b) Telofase. a

b

166

• Metafase. És la fase en què, a causa de l’allargament dels microtúbuls cinetocòrics, els cromosomes queden equidistants als dos complexos centriolars, es col·loquen a la meitat del fus mitòtic i així constitueixen, entre tots, l’anomenada placa equatorial. Molts cromosomes metafàsics, els que tenen el centròmer a la meitat o prop de la placa, presenten forma de X. El motiu és que el grau d’empaquetament de les seves dues cromàtides és més elevat que en els profàsics, i els extrems queden més separats. • Anafase. L’anafase s’inicia amb la separació de les dues cromàtides germanes que constitueixen cadascun dels cromosomes metafàsics. A partir d’aquest moment, una sola cromàtide forma un cromosoma, l’anomenat cromosoma anafàsic. Per evitar errors a l’hora de comptar els cromosomes d’una cèl·lula, s’ha de seguir la regla que hi ha tants cromosomes com centròmers es puguin comptar. Els cromosomes anafàsics es desplacen a causa de l’escurçament dels microtúbuls cinetocòrics, que comença al cinetocor i que comporta que siguin arrossegats cap als pols, i de l’allargament del fus mitòtic gràcies al creixement dels microtúbuls polars i al lliscament dels d’un pol respecte als de l’altre pol. El final de l’anafase està marcat pels esdeveniments següents: l’arribada dels dos grups de cromosomes anafàsics als dos pols del fus mitòtic, la seva condensació en dues masses en les quals és difícil distingir els cromosomes individualitzats i la desaparició dels cinetocors. L’anafase tan sols dura uns quants minuts. • Telofase. La telofase comença quan les dues dotacions cromosòmiques s’han agrupat en dues masses, situades als pols del fus mitòtic, i acaba quan aquestes queden envoltades d’un embolcall nuclear, és a dir, quan es formen els dos nuclis fills. Durant la telofase, la làmina fibrosa s’adhereix als cromosomes, fet que facilita la construcció del nou embolcall nuclear. Aquest es forma a partir dels sàculs del reticle endoplasmàtic i, probablement, també de les restes de l’embolcall nuclear de la cèl·lula mare. Els cromosomes es van desespiralitzant, fet que en possibilita la transcripció i la formació dels nuclèols a partir de les anomenades regions organitzadores de nuclèols del DNA. El nucli telofàsic, progressivament, es va fent cada vegada més semblant a l’interfàsic. Els microtúbuls polars es deixen anar del material pericentriolar, s’aproximen entre si i formen feixos a l’altura de la interzona (zona intermèdia entre els dos grups de cromosomes). A la regió d’imbricació d’aquests microtúbuls interzonals s’acumulen moltes proteïnes, i formen els anomenats cilindres de substància densa, que tenen un paper important en la citocinesi. Aquesta, generalment, es produeix simultàniament durant la telofase. Les cèl·lules dels vegetals superiors i d’alguns protozous no tenen centríols i, per tant, no presenten àsters. Aquestes cèl·lules fan una mitosi anomenada mitosi anastral. Al principi de la profase, a prop del nucli, hi ha una zona exempta d’orgànuls anomenada zona clara, que és un centre organitzador de microtúbuls (COM), per la qual cosa, al cap d’un temps, en queda envoltada. Posteriorment s’allarga i al final dóna lloc a dos centres organitzadors anomenats casquets polars, entre els quals hi ha microtúbuls polars, que constitueixen, al final de la profase, els dos pols del fus mitòtic, és a dir, actuen com els àsters de les cèl·lules animals. Aquest tipus de fus mitòtic sense àsters s’anomena fus anastral, mentre que el fus mitòtic amb àsters s’anomena fus astral. unitat 9

Les dues cromàtides del cromosoma profàsic

Fibres (microtúbuls) de l’àster

Nou centríol en formació

Fibres polars contínues

Embolcall nuclear fragmentat PRINCIPI DE LA PROFASE Fibres cromosòmiques constituïdes per microtúbuls cinetocòrics

PROFASE Cromosomes disposats a la placa equatorial

PROFASE Semifús

Interzona

Cromosomes orientats per les fibres del fus

Semifús

FINAL DE LA PROFASE

METAFASE Fibres (microtúbuls) interzonals

Semifús escurçat

PRINCIPI DE L’ANAFASE Complex centriolar Inici del nou embolcall nuclear

Interzona allargada

Solc de divisió

Cilindres de substància densa

Semifús escurçat FINAL DE L’ANAFASE

Cilindris de substància densa

Anell contràctil

INICI DE LA TELOFASE

Citocinesi

FINAL DE LA TELOFASE

Mitosi i citocinesi per estrangulació d’una cèl·lula 2n, en què n = 2.

La citocinesi o citodièresi és la divisió del citoplasma. Pot produir-se de dues maneres: per estrangulació del citoplasma o per formació d’un septe intracellular. • La citocinesi per estrangulació es dóna en les cèl·lules dels animals. S’inicia al final de l’anafase i comença amb una invaginació de la membrana plasmàtica a l’altura del pla equatorial del fus, l’anomenat solc de divisió. Aquest és el resultat extern de la formació d’un anell contràctil intern. Aquest anell està constituït per polímers d’actina units per un extrem a la cara interna de la membrana plasmàtica. Els extrems lliures s’uneixen i es desplacen entre si gràcies a molècules de miosina. Així, progressivament, es va estrangulant el citoplasma, fins que la membrana del solc de divisió contacta amb el feix de microtúbuls interzonals, a l’altura de la substància densa. D’aquesta manera es divideix el citoplasma i es formen dues cèl·lules filles. La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

167

2

1 Actina

Anell contràctil

Miosina

Cilindre de substància densa

Microtúbuls interzonals

Citocinesi per estrangulació. Nucli telofàsic

Restes de microtúbuls polars

Plasmodesma Làmina mitjana

Fragmoplast (vesícules de Golgi i microtúbuls)

Placa cel·lular primerenca

Citocinesi per septe.

• La citocinesi per septe es dóna en les cèl·lules dels vegetals. S’inicia amb l’agrupació ordenada, en el pla equatorial de la cèl·lula binucleada telofàsica, de moltes vesícules procedents de l’aparell de Golgi. Aquesta agrupació ordenada és possible gràcies a l’orientació i l’aproximació dels microtúbuls interzonals. L’estructura formada per aquestes vesícules i els microtúbuls s’anomena fragmoplast. Posteriorment, es produeix la fusió de les vesícules, i es forma l’anomenada placa cel·lular primerenca, que va creixent gràcies a l’addició de més vesícules, des del centre, fins a dividir la cèl·lula. A partir de les seves membranes es formen les membranes plasmàtiques enfrontades de les dues cèl·lules filles. Com que la placa cel·lular tenia uns quants porus, queden ponts de comunicació citoplasmàtica entre les membranes plasmàtiques, anomenats plasmodesmes. A partir del contingut de les vesícules, ric en hemicel·lulosa i en pectina, es forma la làmina mitjana, que posteriorment, després de l’addició de cel·lulosa, constitueix la paret cel·lular cel·lulòsica.

Activitats 9 Quins teixits animals i quins teixits vegetals resulten més apropiats per observar la mitosi? Raona la resposta. 10 Saps si totes les cèl·lules somàtiques d’un individu tenen el mateix nombre i tipus de cromosomes? 11 Diferencia entre cromosoma, cromàtide, centrosoma i centròmer. 12 Quants cromosomes hi ha en una cèl·lula humana durant la profase i l’anafase mitòtiques? 13 Quantes parelles de cromosomes es poden observar en la metafase mitòtica, en l’anafase mitòtica i en la interfase, en una cèl·lula diploide en la qual 2n = 6?

168

14 Dibuixa una cèl·lula 2n = 4 en anafase mitòtica. 15 En quina fase de la mitosi es troba una cèl·lula que presenta vuit cromosomes dispersos, cadascun constituït per dues cromàtides? Quant val n? 16 Si en un teixit la mitjana de vida de les cèl·lules és de 24 hores, el 75 % de les cèl·lules es troba en fase G1; el 5 %, en fase S, i el 15 %, en fase G2, en quina situació es troba la resta de les cèl·lules i quant de temps hi està? 17 Com aconsegueix la cèl·lula separar les dues cromàtides dels cromosomes metafàsics i que els nous cromosomes arribin als pols oposats? 18 Com es formen els casquets polars que originen el fus anastral?

unitat 9

A FONS Pleuromitosi, endomitosi i amitosi Després de la duplicació del DNA no sempre té lloc una mitosi. Cromosoma unit pel cinetocor a la part Es poden donar uns altres processos, com ara la pleuromitosi, l’endomitosi interna de l’embolcall nuclear i l’amitosi. • Pleuromitosi. És una mitosi intranuclear, és a dir, una mitosi que es fa dins del nucli sense que hi hagi ruptura de l’embolcall nuclear. Els cromosomes se separen en dos grups iguals i, posteriorment, durant la telofase, es produeix la divisió del nucli amb una constricció. S’ha observat, per exemple, en els protozous flagel·lats. • Endomitosi. És la duplicació del DNA nuclear sense repartiment posterior del material cromosòmic entre dos nuclis fills. Tot el DNA queda al mateix nucli, per la qual cosa l’endomitosi no és un tipus de divisió nuclear. Se’n distingeixen dues modalitats: a) Endomitosi generadora de poliploïdia. En aquest tipus es produeix la separació de les cromàtides, les quals queden dins del mateix nucli. Embolcall nuclear Així doncs, primer hi ha els nuclis tetraploides (4n), després octaploides (8n), etc. S’ha observat, per exemple, al fetge dels mamífers, Pleuromitosi o mitosi intranuclear. a l’intestí dels mosquits, a l’insecte bastó i al macronucli dels protozous ciliats. b) Endomitosi generadora de politènia. En aquest tipus no hi ha separació de les cromàtides germanes, sinó que aquestes queden esteses i unides entre si constituint cromosomes politènics, també anomenats cromosomes gegants, que poden tenir fins a 1.024 cromàtides juntes. Aquests cromosomes presenten bandes clares, corresponents a segments de cromàtides estirades, alternades amb bandes fosques, corresponents a la coincidència d’enrotllaments (cromòmers) en cadascuna de les cromàtides. Es donen, per exemple, en les cèl·lules de les glàndules salivals de les larves de dípters, que constantment estan produint enzims salivals i que, per tant, necessiten moltes còpies dels gens codificadors d’aquests. • Amitosi. És una divisió del nucli per estrangulació d’aquest en què, a diferència de la pleuromitosi, no hi ha hagut una separació prèvia dels cromosomes en dos grups, per la qual cosa no hi ha la seguretat d’un repartiment equitatiu d’aquests. No presenta cap de les fases de la mitosi i, per tant, no s’ha de considerar com un tipus de mitosi intranuclear. Molts dels casos esmentats en la bibliografia no s’accepten actualment, perquè, en realitat, no corresponien a nuclis en divisió, sinó a nuclis polimòrfics estables que tenien aquell aspecte. En altres casos sí que va ser correcte considerar-los amitosi, però corresponien a estats patològics de les cèl·lules. Actualment s’accepta com a exemple d’amitosi la divisió del macronucli dels protozous ciliats. El fet que en resulti un repartiment no excessivament desigual dels cromosomes s’explica perquè, prèviament, es produeix endomitosi, per la qual cosa hi ha diversos exemplars de cada tipus de cromosoma, i, en conseqüència, la probabilitat que cada nucli fill rebi exemplars de cada tipus de cromosoma és molt alta. Alguns autors també utilitzen el terme amitosi per referir-se a la duplicació del DNA bacterià (l’anomenat genòfor), però això no és gaire adequat ja que, en no haver-hi embolcall nuclear, no es fa per estrangulació d’un nucli.

Micronucli Macronucli

Divisió amb amitosi del macronucli en un protozou ciliat (Chilodon uncinatus).

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

169

2.6. Les formes de reproducció cel·lular Tenint en compte el nombre de cèl·lules filles i la manera de dividir-se el citoplasma, es distingeixen els tipus de reproducció cel·lular següents: bipartició, pluripartició i gemmació. La bipartició o divisió primària

En els protozous flagel·lats, com ara els tripanosomes, la bipartició és longitudinal i comencen a esquinçar-se pel flagel. El ritme de divisió és tan alt que abans d’acabar de separar-se, cadascun es torna a dividir de nou, i així donen lloc a una espècie d’estrella o roseta d’individus en què cadascun intenta separar-se dels altres.

És la divisió del citoplasma de la cèl·lula mare, ja binucleada, en dos citoplasmes fills iguals, cadascun dels quals conté un nucli. La bipartició es pot dur a terme per tres mecanismes diferents, que són: • Estrangulació. És la formació d’un solc ample a la meitat de la cèl·lula mare binucleada, de manera que aquesta adopta una forma similar a un rellotge de sorra. És pròpia dels organismes unicel·lulars. • Fissuració. És la formació d’un solc molt estret, l’anomenada fissura, en la cèl·lula mare binucleada. A causa de l’estretor, més aviat sembla que s’hagi tallat en dos la cèl·lula mare. És pròpia de les cèl·lules dels metazous. • Septe. És la formació d’un septe, a partir de la unió de vesícules de Golgi carregades de pectina, que divideix la cèl·lula mare en dues cèl·lules filles. És pròpia dels metàfits i d’alguns tal·lòfits. La pluripartició, divisió múltiple o esquizogònia És la divisió del citoplasma de la cèl·lula mare, que prèviament s’ha convertit en plurinucleada, i que dóna lloc a tants citoplasmes fills com nuclis té. Generalment queda una resta de citoplasma residual sense nucli. La separació es pot dur a terme mitjançant fissures o un septe. Un exemple d’aquesta forma de divisió és l’esporulació, pròpia dels protozous esporozous. El nom esporulació deriva de la similitud que té amb la formació de les espores en els fongs ascomicets, que també es produeix per pluripartició interna. En els fongs ascomicets, però, les cèl·lules filles (les espores), que es formen per meiosi, tenen una paret cel·lular a més de la membrana plasmàtica, fins i tot quan encara són dins de la cèl·lula mare. Plasmodium

Eritròcit

Esquizogònia en Plasmodium.

La gemmació És la divisió del citoplasma de la cèl·lula mare, quan encara és uninucleada, en dues parts desiguals, de manera que la més petita, sense nucli, l’anomenada gemma, queda comunicada amb la gran. Posteriorment, el nucli experimenta una endomitosi, s’allarga i la seva projecció s’introdueix a la gemma. Després del repartiment de cromosomes, el nucli es divideix en dos, i s’acaba de dividir el citoplasma per estrangulació. Les dues cèl·lules filles, desiguals, encara queden adherides entre si durant molt de temps. Aquest procés es dóna en els llevats.

Gemmació en cèl·lules de llevat. 170

unitat 9

3 La divisió generadora de cèl·lules

amb la meitat de cromosomes 3.1. El concepte de reproducció sexual La reproducció es pot definir com la generació de nous individus. Hi ha dos tipus de reproducció: • Reproducció asexual. És aquella en què, tret de mutació, els descendents són genèticament idèntics al seu progenitor; per exemple, la reproducció d’un roser per esqueixos (trossos de tija que es planten). Les cèl·lules del nou individu s’originen per mitosi, a partir d’una o més cèl·lules del progenitor. • Reproducció sexual. És aquella en què els descendents són genèticament molt diferents del seu progenitor o progenitors; per exemple, la reproducció dels humans mitjançant la unió de dos gàmetes i la reproducció d’un xampinyó mitjançant meiòspores. a

b

a) Algunes plantes es reprodueixen asexualment per esqueixos. b) En les plantes gimnospermes i angiospermes els òrgans reproductors es localitzen en les flors, on es produeixen els gàmetes necessaris per a la reproducció sexual.

Les diferències genètiques dels nous individus són degudes al fet que s’han format a partir d’unes cèl·lules especials haploides, les anomenades cèl·lules reproductores sexuals (gàmetes i meiòspores). Aquestes, o bé les seves antecessores, s’originen per mitjà d’una divisió anomenada meiosi, en la qual es redueix el nombre de cromosomes a la meitat i cada cromosoma surt d’una combinació a l’atzar dels gens de dos cromosomes homòlegs. Per això els cromosomes resultants són diferents en cada cèl·lula sexual. Els gàmetes es diferencien de les meiòspores en el fet que cal que s’uneixin dos gàmetes, de diferent sexe, per donar lloc a una cèl·lula amb capacitat de dividir-se; en canvi, en el cas de les meiòspores, no cal. Els organismes haploides generen els seus gàmetes amb mitosi. Hi ha alguns casos en què, a partir d’un gàmeta femení sense fecundar, es genera un nou individu, que òbviament és haploide. És l’anomenada reproducció per partenogènesi sexual (hi ha una altra partenogènesi que és asexual); per exemple, així és com neixen els abellots. Només tenen meiòspores els fongs i les plantes, mentre que hi ha gàmetes tant en les plantes com en els animals. La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

171

3.2. La meiosi

Gàmetes humans: òvul i espermatozoides.

El procés generador de cèl·lules amb la meitat de cromosomes s’anomena meiosi, terme que deriva de meios, que significa ’menys’. La meiosi comprèn dues divisions successives anomenades primera divisió meiòtica (meiosi I) i segona divisió meiòtica (meiosi II). La primera és una divisió reduccional, ja que les cèl·lules filles tenen la meitat de cromosomes que la cèl·lula mare, mentre que la segona és una divisió equacional, ja que les cèl·lules filles tenen el mateix nombre de cromosomes que la cèl·lula mare; és semblant a una divisió mitòtica. Així, per exemple, en el cas d’una cèl·lula diploide (2n), en la primera divisió s’obtenen dues cèl·lules haploides (n), i en la segona, quatre cèl·lules haploides. En aquest cas, la meiosi es pot definir com el pas d’una cèl·lula diploide (2n) a quatre cèl·lules haploides (n), mitjançant dues divisions consecutives: Meiosi 1 (2n) --------------------→ 4 (n) Si no es produís la meiosi, els gàmetes tindrien el mateix nombre de cromosomes que les cèl·lules somàtiques, i, després de cada fecundació, la cèl·lula resultant (zigot) tindria el doble de cromosomes. La repetició, generació rere generació, d’aquesta duplicació augmentaria indefinidament el nombre de cromosomes. Abans d’iniciar-se la primera divisió meiòtica, igual que passa en la divisió amb mitosi, hi ha un període d’interfase, durant el qual es duplica el DNA. En canvi, en la interfase prèvia a la segona divisió meiòtica no hi ha duplicació del DNA. Així doncs, en la meiosi, després d’una sola duplicació segueixen dues divisions. Cadascuna presenta una divisió del nucli o cariocinesi i una divisió del citoplasma o citocinesi.

Zigot humà.

Tipus de divisió cel·lular

Cèl·lules que quan es divideixen donen lloc a cèl·lules amb el mateix nombre de cromosomes que elles. Segueixen, doncs, l’anomenat cicle cel·lular.

Cèl·lules que quan es divideixen donen lloc a cèl·lules amb la meitat de cromosomes que elles. Aquest procés s’anomena meiosi. No segueixen, doncs, el cicle cel·lular.

Interfase

Període G1 Període S (síntesi del DNA) Període G2

Divisió o període M

Divisió del nucli o cariocinesi, també anomenada mitosi. Divisió del citoplasma o citocinesi, també anomenada citodièresi.

Interfase

Període G1 Període S (síntesi del DNA) Període G2

Divisió

Primera divisió meiòtica Intercinesi (no hi ha síntesi del DNA) Segona divisió meiòtica

Tipus de divisió cel·lular en funció del nombre final de cromosomes. 172

unitat 9

Primera divisió meiòtica Comprèn quatre fases: profase I, metafase I, anafase I i telofase I. La més llarga i complexa és la profase I que, perquè s’entengui millor, se subdivideix en cinc subfases, anomenades leptotè, zigotè, paquitè, diplotè i diacinesi. • Profase I. En aquesta fase es constitueixen els cromosomes en enrotllar-se i condensar-se les molècules de DNA. A diferència de la mitosi, els dos cromosomes homòlegs s’ajunten, i formen un parell anomenat bivalent, i entre aquests es produeix un intercanvi de fragments de DNA. Una altra diferència és que aquesta profase pot durar fins a mesos o anys segons l’espècie.

Interfase Cromàtides germanes Cromosomes homòlegs Cromàtides germanes Leptotè

Zigotè 1. Leptotè. Els filaments de DNA es condensen i formen els cromosomes. Com que aquests filaments ja estan duplicats però no separats, els cromosomes presenten dues cromàtides. Per això, en els cromosomes metacèntrics, de l’únic centròmer sorgeixen quatre braços. Paquitè 2. Zigotè. Cada cromosoma reconeix el seu homòleg i s’hi ajunta íntimament; aquest procés s’anomena sinapsi. L’aparellament és total, gen a gen homòleg. És possible gràcies a l’anomenat complex sinaptinèmic. Aquest està constituït per un filament proteic que es forma al costat d’una cromàtide, l’anomenat eix Diplotè lateral, un filament proteic intermedi, l’anomenat eix central, i l’eix lateral del cromosoma homòleg amb el qual s’aparella. Possiblement, la cromatina indueix en els eixos una estructura en dents de clau, que en possibilita la coincidència ordenada. 3. Paquitè. Comença un cop acabada la sinapsi i finalitza quan s’inicia Diacinesi la separació o desinapsi. En aquesta fase, els dos cromosomes homòlegs estan junts, formant un bivalent o tètrada, i dues de les quatre cromàtides, les que estan juntes, s’encreuen almenys en un punt, i generalment en dos o tres. L’encreuament consisteix en la ruptura de les dues dobles hèlixs i la seva posterior unió alternada, per la qual cosa es produeix una recombinació genètica, en unirse en una sola fibra una part dels gens d’una cromàtide materna amb una part dels gens d’una cromàtide paterna. En aquesta fase, com que els dos cromosomes estan molt junts, no s’hi poden observar els encreuaments, però sí que s’hi veuen unes estructures proteiques sinaptinèmiques anomenades nòduls de recombinació, que són els responsables de generar els encreuaments. 4. Diplotè. Els dos cromosomes homòlegs tendeixen a separar-se (dessinapsi), de manera que s’evidencien els punts d’unió, anomenats quiasmes. 5. Diacinesi. Els cromosomes augmenten la seva condensació, per la qual cosa en cada bivalent no tan sols es distingeixen els dos cromosomes homòlegs, sinó que en cadascun es diferencien les dues cromàtides germanes. A més, s’hi aprecien els quiasmes que hi ha entre dues cromàtides homòlogues. • Metafase I. L’embolcall nuclear i els nuclèols han desaparegut i els bivalents es col·loquen en el pla equatorial de la cèl·lula. A diferència de la metafase mitòtica, les fibres que surten dels cinetocors de les dues cromàtides germanes no es dirigeixen a pols oposats, sinó al mateix pol, per la qual cosa no se separen, i no donen lloc a dos cromosomes d’una sola cromàtide, sinó a un de sol de dues cromàtides. • Anafase I. Els dos cromosomes homòlegs que formen els bivalents se separen i migren, cadascun constituït per dues cromàtides, cap als pols oposats. • Telofase I. En unes espècies els cromosomes es desespiralitzen una mica i es forma un embolcall nuclear, que dura molt poc. En d’altres no succeeix cap de les dues coses i els cromosomes inicien directament la meiosi II. La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

Complex sinaptinèmic eix lateral proteic eix central proteic eix lateral proteic Nòdul de recombinació

Complex sinaptinèmic. Formació (sinapsi) i desintegració (dessinapsi) del complex sinaptinèmic, i recombinació genètica associada a aquest procés.

173

Segona divisió meiòtica Està precedida d’una breu interfase, anomenada intercinesi, en la qual no hi ha mai duplicació del DNA. És semblant a una divisió mitòtica, tret en el fet que només hi ha un cromosoma homòleg de cada tipus en lloc de dos. S’hi distingeixen les fases següents: • Profase II. Es trenca l’embolcall nuclear i es dupliquen els diplosomes. • Metafase II. Els cromosomes es disposen a la regió equatorial. • Anafase II. Les dues cromàtides de cada cromosoma se separen i els nous cromosomes fills migren cap als pols oposats. • Telofase II. Els cromosomes es desespiralitzen i s’envolten d’un embolcall nuclear, i sorgeixen dos nuclis; posteriorment es produeix la citocinesi o la divisió del citoplasma. Cromosomes homòlegs

Inici de la sinapsi

Nòdul de recombinació produint un encreuament Bivalent

Centròmer

Quiasma: unió temporal resultant d’un encreuament. Apareix en la dessinapsi.

Bivalent (= tètrada) PROFASE I

Leptotè

Paquitè

Zigotè

Diplotè

Les dues cromàtides germanes d’un sol cromosoma

Citocinesi i intercinesi

Diacinesi

PROFASE II

METAFASE I

Bivalent: les quatre cromàtides dels dos cromosomes homòlegs units

METAFASE II

ANAFASE II

ANAFASE I

n TELOFASE I

n

n

n

TELOFASE II

Meiosi d’una cèl·lula 2n, en què n = 2. 174

unitat 9

Comparació entre la mitosi i la meiosi MITOSI

MEIOSI MEIOSI I Cèl·lula inicial Duplicació DNA

Profase

Cromosoma amb dues cromàtides

Duplicació DNA

Cromosomes situats a la placa equatorial

Metafase

Tètrada formada per la sinapsi de dos cromosomes amb dues cromàtides

2n

2n ⴝ 6

2n

Profase I

Tètrades situades a la placa equatorial

Metafase I

Anafase i Telofase

Anafase I i Telofase I Les cromàtides se separen durant la mitosi

Els cromosomes se separen. Les cromàtides continuen juntes n Cèl·lules filles de la meiosi I

Cèl·lules filles de la mitosi 2n

n

2n MEIOSI II

n

n

n

n

Cèl·lules filles de la meiosi II

1. La mitosi és una cariocinesi.

1. La meiosi inclou dues cariocinesis i dues citocinesis.

2. La mitosi dóna lloc a dues cèl·lules amb el mateix nombre de cromosomes que la cèl·lula mare.

2. La meiosi dóna lloc a quatre cèl·lules amb la meitat de cromosomes que la cèl·lula mare.

3. Durant la profase no hi ha sinapsi ni encreuament i, per tant, després no hi ha quiasmes.

3. Durant la profase hi ha encreuament de cromàtides i, per això, intercanvi de segments (gens).

4. Durant l’anafase se separen les cromàtides germanes.

4. Durant l’anafase I no se separen les cromàtides germanes, sinó que emigren juntes cap a un dels dos pols.

5. Els cromosomes de les cèl·lules filles són idèntics (si no hi ha mutació) als de la cèl·lula mare.

5. Aproximadament la meitat dels cromosomes de les cèl·lules filles són el producte de la recombinació genètica entre cromàtides de cromosomes homòlegs.

6. La mitosi es dóna generalment en les cèl·lules mare de les cèl·lules somàtiques.

6. La meiosi tan sols es dóna en les cèl·lules mare dels gàmetes i de les meiòspores.

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

175

3.3. Els cicles biològics Segons el moment en què es produeix la meiosi, es diferencien tres tipus de cicles biològics:

En les plantes gimnospermes i angiospermes l’esporòfit és tota la planta. El gametòfit està format per les oosferes, contingudes al pistil, i els gàmetes masculins, que s’originen en els grans de pol·len.

• Cicle haploide. És el cicle de les espècies que només tenen individus haploides. En aquest cicle només el zigot és diploide. El zigot experimenta la meiosi (meiosi zigòtica) i genera quatre cèl·lules haploides, a partir de les quals es formen els adults haploides. Aquests, per mitosi, generen els gàmetes haploides. Aquest cicle l’experimenten algunes algues i fongs. • Cicle diploide. Es produeix en espècies que només tenen individus diploides. En aquest cicle la meiosi es produeix per generar els gàmetes haploides (meiosi gametogènica). Després de la fecundació, els gàmetes haploides originen un zigot diploide que es multiplica per mitosi i dóna lloc a l’adult. Aquest cicle el presenten gairebé tots els animals, molts protozous i algunes algues i fongs. • Cicle diplohaploide. És el cicle de les espècies que presenten dos tipus d’individus, uns de diploides, dels quals sorgeixen uns altres d’haploides, i a l’inrevés. Aquest fet s’anomena alternança de generacions. L’individu diploide genera meiòspores i, per tant, rep el nom d’esporòfit. La meiosi té lloc durant l’esporogènesi (meiosi esporogènica). Les meiòspores haploides (n) donen lloc als individus haploides, que són els que generen gàmetes i, per tant, reben el nom de gametòfits. Els gàmetes, per mitjà de la fecundació, formen el zigot (2n). El zigot es divideix per mitosi i dóna lloc a l’esporòfit (2n). Aquest cicle es dóna en les plantes, en moltes algues i en alguns fongs. En les plantes amb flors el gametòfit (n) és microscòpic i viu dintre de l’esporòfit (2n).

Haploide

CICLE DIPLOIDE

CICLE DIPLOHAPLOIDE

CICLE HAPLOIDE

Individu haploide

Individu haploide

Diploide n

n

Mitosi

n MEIOSI

n

n

FECUNDACIÓ

Mitosi

n

n

Mitosi n

Espores Gàmetes

n

Mitosi

n n

Gàmetes

n n

MEIOSI 2n

FECUNDACIÓ MEIOSI

Zigot

Individu diploide

2n Mitosi

Animals, protozous i algunes algues i fongs

2n Individu diploide

2n Mitosi

Plantes i algunes algues i fongs

FECUNDACIÓ 2n Zigot

Molts fongs i algunes algues

Cicles biològics de vida sexual.

Activitats 19 Relaciona els conceptes de les dues columnes: • • • • •

Cèl·lula somàtica Cromosoma anafàsic Gàmeta Cromosoma metafàsic Microtúbuls

• • • • •

Cèl·lula haploide Cèl·lula diploide Una cromàtide Material pericentriolar Dues cromàtides

20 Quines són les diferències més importants entre la mitosi i la meiosi?

176

21 Quines diferències hi ha entre cromàtides germanes i cromàtides homòlogues? 22 Hi pot haver cèl·lules humanes amb un nombre senar de cromosomes? I amb 24 tipus de cromosomes? I amb 22 tipus de cromosomes? 23 Una cèl·lula presenta 5 cromosomes, constituïts per una sola cromàtida, en cadascun dels pols. En quina fase mitòtica o meiòtica es troba?

unitat 9

3.4. Avantatges de la reproducció sexual En la reproducció asexual tan sols hi ha divisions cel·lulars per mitosi, mentre que en la reproducció sexual, en alguna etapa, hi ha una divisió cel·lular per meiosi. La reproducció asexual genera individus genèticament iguals als seus progenitors, mentre que la sexual genera individus genèticament diferents. La variabilitat dels descendents, malgrat que implica el naixement d’individus amb menys capacitat de supervivència, és un avantatge per a l’espècie, ja que permet que, davant d’un canvi imprevisible de les condicions ambientals, puguin existir alguns individus amb probabilitats de sobreviure. Per això són escasses les espècies pluricel·lulars que no presenten algun cas de reproducció sexual, encara que tan sols sigui al cap de moltes reproduccions asexuals. La variabilitat de la descendència en la reproducció sexual és deguda a diverses causes. De més a menys importància, són les següents: • Durant la meiosi es produeix una recombinació a l’atzar de gens, entre una de les dues cromàtides d’un cromosoma i una altra del cromosoma homòleg. Les cromàtides recombinades resultants són, doncs, diferents entre si. Els cromosomes homòlegs són els que tenen gens amb informació sobre els mateixos caràcters. En els éssers diploides, dels dos cromosomes homòlegs, l’un és heretat del pare i l’altre de la mare. • Durant la formació dels gàmetes, o de les meiòspores, es produeixen combinacions a l’atzar de cromosomes, ja que cadascuna d’aquestes cèl·lules tan sols rep un exemplar, a l’atzar, de cada tipus de cromosoma, el patern o el matern. Per aquest motiu, els gàmetes també són diferents entre si. • En el cas que el nou individu es formi a partir de la unió de dues cèl·lules sexuals (gàmetes), també hi ha la influència de l’atzar en la fecundació. Per exemple, en els animals, dels milions d’espermatozoides emesos, tan sols un fecunda l’òvul, potser no el millor sinó el que es troba per atzar més a prop.

Els caràcters fenotípics (color dels cabells, forma del nas i dels ulls,…) estan controlats per gens que es transmeten de progenitors a fills.

Els éssers diploides tenen dos gens (dues informacions) per a cada caràcter, els anomenats gens al·lels. Això és un avantatge sobre els haploides, ja que permet la supervivència de l’individu encara que un dels gens sigui defectuós. Només quan s’hereten dos al·lels defectuosos, l’individu mor i aquests gens desapareixen de la població. Si tan sols hi hagués reproducció asexual, a causa de la mutació, de cada parell d’al·lels un seria defectuós i estaria tapat per l’altre, que seria correcte; és a dir, l’espècie, pel que fa a la supervivència, es comportaria com una espècie haploide, i no tindria la possibilitat de tenir una segona informació correcta. Per tant, la diploïdia s’ha mantingut gràcies a la reproducció sexual. La reproducció sexual presenta dos desavantatges respecte de la reproducció asexual. L’un és que si l’ambient és invariable, és mes convenient generar individus idèntics als progenitors, ja que hi estan perfectament adaptats. L’altre és que si es fa mitjançant gàmetes, això comporta les dificultats de la trobada, de l’aparellament, de la fecundació i del desenvolupament embrionari. En un principi, les espècies devien ser unicel·lulars, haploides i amb reproducció asexual per mitosi. Per superar les èpoques desfavorables, van iniciar l’esporulació, és a dir, l’emissió d’espores (mitòspores). Posteriorment, hi devia haver processos d’intercanvi de material genètic (sexualitat) que devien acabar en la formació d’individus diploides, mitjançant la fusió. Per recuperar la dotació haploide es devia iniciar la meiosi. En un principi es devia produir immediatament després de la formació del zigot diploide (cicle haploide), posteriorment es devia allargar l’estat diploide, atesos els avantatges, i així va sorgir el cicle diplohaploide i, finalment, el cicle diploide. La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

Activitats 24 Per què creus que en el regne vegetal la reproducció asexual està més estesa que en el regne animal?

177

4 La funció de relació cel·lular La funció de relació cel·lular consisteix en la captació d’estímuls externs per part de la cèl·lula i en l’elaboració de respostes adequades encaminades a assegurar la seva supervivència.

4.1. Els estímuls Els estímuls són variacions de les condicions ambientals que afecten la cèl·lula. Poden ser de tipus químic, tèrmic, lluminós, etc. Un tipus especial d’estímuls de naturalesa química són les substàncies que permeten la comunicació intercel·lular en els organismes pluricel·lulars. Es tracta de les hormones, en els animals i els vegetals, i dels neurotransmissors del sistema nerviós dels animals. En tots aquests organismes, els sistemes de comunicació intercel·lular es basen en l’alliberament de molècules missatgeres que actuen sobre cèl·lules amb receptors específics per a cadascuna, les anomenades cèl·lules diana. És a dir, les molècules missatgeres són senyals extracel·lulars que actuen com a estímuls d’altres cèl·lules. Els sistemes més importants de comunicació intercel·lular són el sistema nerviós, les molècules missatgeres del qual són els neurotransmissors (l’acetilcolina, la noradrenalina, etc.), i el sistema endocrí, les molècules missatgeres del qual són les hormones.

L’adrenalina és una hormona que provoca l’estat d’alerta.

Els mecanismes de captació i de transducció de la informació sobre les fluctuacions que experimenta el medi extracel·lular es troben a la membrana plasmàtica cel·lular. Aquests mecanismes estan constituïts per dos tipus d’elements: els receptors de senyals i els sistemes de transducció de senyals.

4.2. Els receptors de senyals Els receptors de senyals són proteïnes transmembranoses, situades sobre la superfície externa de la membrana plasmàtica, que capten d’una manera específica els estímuls del medi extracel·lular (els senyals). En els estímuls de naturalesa química, aquestes proteïnes són específiques per a cada tipus de molècula missatgera, anomenada primer missatger. La cèl·lula a la qual pertanyen esdevé la cèl·lula diana d’aquest missatge o estímul específic. Quan les molècules missatgeres s’uneixen als seus receptors específics, els receptors experimenten una modificació estructural que constitueix el senyal que informa la cèl·lula de les condicions del medi extracel·lular. Entre els receptors més interessants hi ha els de neurotransmissors i els d’hormones.

4.3. Els sistemes de transducció de senyals Els sistemes de transducció de senyals estan situats a la superfície interna de la membrana citoplasmàtica. Són sistemes que transformen els senyals extracel·lulars o primers missatgers (les hormones, els neurotransmissors, etc.) en senyals intracel·lulars o segons missatgers.

En el moment en què captura la presa, el depredador té els músculs en tensió. 178

El segon missatger actua sobre la membrana citoplasmàtica (provocant-hi, per exemple, l’obertura dels canals de difusió) o indueix el desencadenament d’un seguit de reaccions en cascada a l’interior de les cèl·lules que influiran en el seu metabolisme: la contracció de les fibres musculars, si són cèl·lules del teixit muscular; la producció de substàncies de secreció, si són cèl·lules de teixit glandular, etc. Aquestes reaccions, al seu torn, provoquen respostes fisiològiques, com la contracció muscular, la secreció glandular, etc. unitat 9

4.4. El sistema adenilat ciclasa Un exemple de recepció i transducció de senyals és el que constitueix la síntesi de l’AMP cíclic. L’hormona, el neurotransmissor, etc. (és a dir, el primer missatger o lligand) s’uneix a una proteïna específica (el receptor). Aquesta unió produeix en la proteïna una modificació estructural que li permet unir-se a la proteïna G i activar-la. La proteïna G activada s’uneix amb el nucleòtid de GTP, fet que altera la conformació de la proteïna. Aleshores, aquesta proteïna pot activar l’enzim adenilat ciclasa, el qual hidrolitza l’ATP i produeix AMP cíclic (segon missatger). Posteriorment, el GTP de la proteïna G es desfosforila i passa a GDP, fet que provoca que la proteïna G es desactivi i torni a la seva conformació original. L’AMP cíclic dóna lloc a diversos tipus de respostes fisiològiques: l’estimulació de la mitosi, l’obertura de canals iònics, etc. 1

Proteïna G desactivada

Lligand

2

Adenilat ciclasa

Unió lligand-receptor. G

Proteïna G

Receptor

GDP

GDP

Disposició del receptor i del sistema de transducció adenilat ciclasa a la membrana citoplasmàtica. 3

Proteïna G activada

Unió receptor-lligand o primer missatger.

Adenilat ciclasa desactivat

4 Adenilat ciclasa activat

G

G GDP

GTP

Unió proteïna-receptor amb la proteïna G.

ATP

GTP

AMPc

Unió GTP-proteïna G. Activació de l’adenilat ciclasa en unir-se amb la proteïna G. Síntesi de l’AMP cíclic. 5 G GDP

Pi

Hidròlisi del GTP. Dissociació de la proteïna G-adenilat ciclasa. Alliberament del lligand.

4.5. Les respostes

Recepció i transducció de senyals en la síntesi d’AMP cíclic per l’enzim adenilat ciclasa.

Les respostes són accions o moviments produïts per l’aplicació d’un estímul. Poden ser de diversos tipus: tropismes, tactismes, enquistament o moviments de ciclosi, ameboides, vibràtils o contràctils. Tropismes i tactismes Hi ha estímuls que provoquen una reacció de la cèl·lula en forma de moviments de desplaçament respecte d’aquest estímul; són els taxis o tactismes. Si no hi ha desplaçament, sinó únicament l’orientació de la cèl·lula, es parla de tropisme. Si el moviment es fa cap a l’estímul, es tracta de tactisme positiu; en canvi, si el que fa és allunyar-se’n, es tracta de tactisme negatiu. Quan l’estímul és mecànic, es diu que és un tigmotactisme; si hi actua la força de la gravetat, geotactisme; si és la temperatura, s’anomena termotactisme; si és la llum, fototactisme, i si és una substància química, es parla de quimiotactisme. De la mateixa manera, també hi ha fenòmens de tigmotropisme, geotropisme, etc. La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

179

Enquistament Davant de canvis en el medi molt desfavorables, hi ha cèl·lules que poden adoptar un estat de vida latent per mitjà de l’enquistament, que consisteix en la formació, al voltant de la cèl·lula, d’una càpsula resistent que secreta la mateixa cèl·lula. Moviments de ciclosi Es tracta de corrents endocel·lulars del citosol o hialoplasma que arrosseguen els orgànuls. N’hi ha a les cèl·lules dotades d’una estructura esquelètica que els manté la forma, com és el cas de les cèl·lules vegetals, que tenen una membrana esquelètica i un gran vacúol central. L’hialoplasma més proper a la membrana plasmàtica (l’ectoplasma) es troba en estat de gel, mentre que el més intern (l’endoplasma) és més fluid. Aquest gel cortical presenta nombrosos microtúbuls paral·lels a la membrana plasmàtica que serveixen, probablement, per orientar els corrents de l’hialoplasma. A l’ectoplasma hi ha els complexos proteics contràctils que originen el moviment de l’endoplasma. Moviments ameboides Tenen lloc en les cèl·lules lliures, sense membrana rígida, com ara les amebes, els mixomicets, els leucòcits, etc. En aquestes cèl·lules, l’ectoplasma i l’endoplasma es troben en estat de gel i de sol, respectivament. La formació d’un pseudòpode s’origina mitjançant el desplaçament de l’endoplasma en el sentit de l’emissió, que fa que l’endoplasma s’estengui lateralment i adquireixi la consistència de gel. Al mateix temps, el gel posterior passa a sol i flueix cap endavant. Moviments vibràtils Tenen lloc en les cèl·lules que presenten cilis o flagels, com ara els espermatozoides, el protozous ciliats i flagel·lats, etc. a

Ciclosi

Paret cel·lulòsica

b

Ameboide (emissió de pseudòpodes)

Membrana plasmàtica Ectoplasma

Vacúol

Endoplasma c

Corrent endoplasmàtic

Vibràtil per flagels

e

Contràctil

d

Vibràtil per cilis

7 6

8

4 3

1

3

5

2

2 1

Ondulació d’un flagel amb els canvis de posició successius.

Abatiment d’un cili amb els canvis de posició successius.

Moviments de ciclosi (a), ameboide (b), vibràtil per flagels (c), vibràtil per cilis (d) i contràctil (e). 180

unitat 9

El moviment d’un cili consisteix en una vibració a manera de cop de rem, i torna a l’estat inicial en corbar-se des de la base cap a l’extrem. Segons la hipòtesi del lliscament, el cili es corba en lliscar un doblet sobre un altre. L’energia per fer aquest lliscament la subministra l’ATP en presència de Ca2 i Mg2. Quan les vibracions d’una filera de cilis, anomenada cinètida, tenen lloc de manera que cada cili comença a vibrar poc després de l’anterior i una mica abans que el posterior, es diu que té un ritme metàcron. Quan tots els cilis vibren al mateix temps, es tracta d’un ritme isòcron. El moviment d’un flagel pot ser semblant al ciliar o bé de tipus ondulatori. doblet doblet central lateral

doblet lateral

---→

doblet central

Mg2 Ca2 ATP

----------------------------------→

Enllaços encreuats entre el doblet central i un doblet lateral d’un cili.

Nous enllaços entre el doblet central i un doblet lateral que provoca el lliscament de l’un sobre l’altre i, en conseqüència, la curvatura del cili.

Mecanisme que causa el moviment ciliar.

Moviments contràctils Es tracta de moviments de lliscament d’unes fibres proteïques respecte unes altres, fet que provoca l’escurçament de la cèl·lula. Per exemple, a les cèl·lules musculars, el moviment de contracció és degut a la presència de filaments d’actina i de miosina al citosol. Aquestes molècules constitueixen els miofilaments, que estan agrupats en miofibril·les, les quals es poden contreure a causa del desplaçament d’uns miofilaments respecte d’uns altres.

Activitats 25 Què és un estímul cel·lular? 26 Quina diferència hi ha entre tactisme i tropisme? 27 Quines analogies i diferències hi ha entre els moviments de ciclosi i els moviments ameboides? 28 Què són els segons missatgers en el procés de recepció d’estímuls cel·lulars? 29 En què es basa el moviment dels cilis?

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

181

Activitats 30 Relaciona els conceptes d’aquestes dues columnes: • Disponibilitat d’espai

• Telofase

• Procentríol

• Metafase

• Punt R

• Profase tardana

• Fibra de 300 Å

• Profase primerenca

• El nuclèol desapareix

• Fase G2

• Cinetocor

• Fase G1

• Microtúbuls interzonals

• Fase S

• Placa equatorial

• Estímul de reproducció

31 Digues quina fase de la mitosi representa cadascun dels dibuixos i en quin ordre s’haurien de posar. a)

b)

c)

b) Quant DNA presentava una cèl·lula en la fase G1, en la metafase mitòtica i en l’anafase mitòtica, si el nucli en repòs en té 0,8 pg (picograms)? c) Quines diferències hi ha entre la mitosi normal, l’endomitosi, la pleuromitosi i l’amitosi? d) Quines diferències hi ha entre la mitosi de les cèl·lules dels animals i la de les cèl·lules dels vegetals? 34 En què es diferencia un cromosoma profàsic d’un cromosoma anafàsic? 35 Per quina causa els cromosomes se situen a la placa equatorial? En quina fase passa això? 36 Què passaria si hi hagués una mitosi sense una citocinesi posterior? 37 Què passaria si hi hagués una citocinesi sense una mitosi prèvia? 38 Què succeeix en el trànsit de cromatina a cromosomes? 39 Quin és l’origen de les fibres que formen el fus acromàtic mitòtic en les cèl·lules vegetals? I en les cèl·lules animals?

d)

e)

40 Per què la duplicació del DNA bacterià (genòfor) i el seu repartiment posterior entre les dues cèl·lules filles no rep el nom de mitosi? 41 Per què el DNA que conté tota la informació sobre el bacteri no arriba a constituir un cromosoma pròpiament dit?

32 Copia els dos dibuixos següents, corresponents a dues fases de la mitosi, i escriu els conceptes que hi ha a sota on corresponguin. a)

b)

42 En quin període la DNA-polimerasa present al nucli experimenta més activitat? 43 Dibuixa una cèl·lula en què 2n  6 en estat de profase i anafase mitòtiques, i durant la profase I i l’anafase I meiòtiques. 44 Quants gàmetes diferents es podrien formar, encara que no es produís cap encreuament, si la cèl·lula inicial tingués 6 cromosomes? 45 Indica si les frases següents són certes o no, i el perquè:

• Cromosomes orientats per les fibres del fus • Cilindres de substància densa • Fibres cromosòmiques constituïdes per microtúbuls cinetocòrics

• Les úniques cèl·lules que experimenten meiosi són les cèl·lules mare dels gàmetes.

• Les dues cromàtides d’un cromosoma

• En els vegetals els gàmetes sempre neixen per meiosi.

• Microtúbuls interzonals

• Les espores són cèl·lules pròpies de la reproducció asexual.

• Anell contràctil

• Una cromàtide és portadora del mateix missatge genètic que el cromosoma del qual procedeix.

• Solc de divisió • Profase • Telofase 33 Respon les preguntes següents sobre la mitosi: a) Quantes cèl·lules es formen després de 2, de 5 i de 10 divisions mitòtiques? Quina fórmula matemàtica podríem fer servir per saber-ho? Quantes cèl·lules es formen després de 20 divisions mitòtiques?

182

• En els humans les úniques cèl·lules que experimenten meiosi són les sexuals.

46 Quants cromosomes hi ha en una cèl·lula humana en l’anafase II i en la metafase I? 47 Completa el text següent: En els cicles ......................................................................... com els que presenten les molses i les falgueres, s’ha de parlar de cicles de reproducció ................................................., en els quals s’alterna una generació ......................................................................... amb una generació ..........................................................................

unitat 9

www 48 Consulta la web http://www.loci.wisc.edu/outreach/bioclips/ CECD.html i indica quin procés s’exposa i de quins organismes es tracta. 49 Consulta la web http://highered.mcgraw-hill.com/sites/ 0072437316/student_view0/chapter20/animations.html# i indica quina funció duen a terme les ciclines i les cinases en el control de la divisió cel·lular.

53 En un laboratori s’ha fet un seguiment del cicle biològic de la reproducció sexual de tres tipus diferents d’organismes i s’han obtingut les dades representades en els tres esquemes següents. Indica en quin lloc del cicle es produeixen divisions cel·lulars amb mitosis, divisions meiòtiques, fecundació, el tipus de cicle de cada un d’ells i alguns exemples d’organismes de cada un dels tipus. Escriu la resposta en la taula de resultats següent. Cicle 1

Cicle 2

Cicle 3

Tipus de cicle Fecundació

Interpretació de dades

Meiosi 50 S’ha extret tot el DNA d’una cèl·lula en repòs respecte a la duplicació del seu DNA, és a dir en interfase, i s’ha trobat que conté 0,5 pg de DNA (1 pg  1 picogram  1012 g). Quants picograms de DNA cal esperar que tingui una cèl·lula d’aquest tipus en la metafase? 51 En l’estudi histològic d’un organisme s’han agafat mostres de diferents òrgans i s’han observat al microscopi. En dues preparacions microscòpiques de diferents òrgans s’han observat cèl·lules en divisió. El que s’ha observat està representat en el dibuix A i en el dibuix B. a) Quin tipus de divisió cel·lular segueix cadascuna d’aquestes cèl·lules?

Exemple d’organisme Cicle A adult 2n

gàmeta n

1

zigot 2n

2 adult 2n

gàmeta n

1

b) En quina fase de la divisió es troben? a

3 Cicle B gàmeta n

4 adult n

zigot 2n

5 4

gàmeta n

b

6 Cicle C gametòfit n espores n

52 En una preparació microscòpica d’un teixit meristemàtic d’una arrel s’ha fet la fotografia que pots veure a l’entrada de la unitat (pàg. 159). Contesta les preguntes següents i justifica les respostes:

8

gàmeta n

7

zigot 2n

9 gametòfit n

8

gàmeta n

a) Es tracta d’una mitosi o d’una meiosi? Per què? b) En quina fase es troba cadascuna de les cèl·lules? c) En quin ordre s’haurien de posar aquestes cèl·lules per representar una divisió?

11

esporòfit n

10 Activitat extreta de les PAU de Catalunya.

La reproducció i la relació de la cèl·lula eucariota

183

Laboratori Mitosi a l’arrel d’una ceba Material: microscopi, portaobjectes, cobreobjectes, comptagotes, agulles emmanegades, vidre de rellotge, vas de precipitats, pinces fines, llanceta, encenedor, paper de filtre. Productes químics: aigua destil·lada, aigua corrent, orceïna A, orceïna B. Productes naturals: cebes.

Observació del tactisme en els protozous ciliats Material: microscopi , comptagotes, portaobjectes i cobreobjectes, fil de cotó, cremador d’alcohol, escalfador d’aigua per a aquaris. Productes químics: aigua mineral, dissolució de NaCl al 0,5 %, dissolució de NaCl al 0,1 %, vaselina. Productes naturals: aigua d’una bassa, cultiu de protozous ciliats (infusió de paramecis). 1. Tigmotactisme negatiu. Col·loca sobre un portaobjectes una gota de la infusió de paramecis i un tros d’un cobreobjectes trencat. Posa-hi un cobreobjectes a sobre i observa la preparació amb el microscopi. Hi observaràs que els paramecis, quan entren en contacte amb el tros del cobreobjectes, retrocedeixen una mica (fugireacció) i fan un moviment de gir cònic deixant l’extrem posterior fix alhora que l’extrem anterior fa un gir ampli i després torna a avançar, però en una altra direcció, per no topar de nou amb el tros del cobreobjectes.

Cèl·lules de l’arrel d’una ceba. 1. Mantén uns quants dies un bulb de ceba sobre un got ple d’aigua, de manera que la part inferior del bulb, d’on sorgeixen les arrels, estigui en contacte amb l’aigua. Per aguantar la ceba, es poden utilitzar tres escuradents clavats al bulb. 2. Quan les arrels hagin crescut uns tres centímetres, talla amb les tisores els quatre mil·límetres finals i col·loca’ls en un vidre de rellotge amb dos mil·límetres d’orceïna A. Després, escalfa-ho amb la flama de l’encenedor fins que aparegui un vapor tènue. S’ha de procurar que durant aquest procés la temperatura no superi en cap moment els 60ºC. Per comprovar-ho, constantment s’ha de retirar el vidre de rellotge del damunt de la flama, i posar-lo a sobre del dors de la mà, que en cap cas no ha de notar sensació de cremada. 3. Amb unes pinces fines, col·loca un dels trossos d’arrel sobre un portaobjectes i afegeix-hi unes quantes gotes d’orceïna B amb el comptagotes. 4. Amb la llanceta, talla els dos mil·límetres finals del tros d’arrel i retira’n la resta. Col·loca-ho a sobre del cobreobjectes i tres o quatre tires de paper de filtre. A continuació, fes-hi una lleugera pressió amb el polze, començant suaument i després una mica més fort, procurant no trencar el cobreobjectes, per tal d’estendre les cèl·lules. 5. Observa-ho amb el microscopi a 600 augments (o preferiblement més). Segons la sort que tinguis, hi veuràs cèl·lules en diferents fases de la divisió mitòtica.

2. Tigmotactisme positiu. Col·loca sobre un portaobjectes una gota de la infusió de paramecis i un tros de fil de cotó. Posa-hi a sobre un cobreobjectes i observa la preparació amb el microscopi. Hi observaràs que els paramecis, quan entren en contacte amb el fil, hi «descansen» a sobre i deixen quiets els cilis que contacten amb el fil, mentre que mantenen en moviment tots els altres cilis per poder captar l’aliment. El contacte amb un objecte rugós produeix una reacció d’adherència en lloc d’una fugireacció. 3. Quimiotactisme positiu. En una altra preparació de paramecis, on hi hagi alguna partícula petita o un tros de fil per evitar que el cobreobjectes faci massa pressió, diposita amb un comptagotes una gota de la dissolució de NaCl al 0,1 % a la vora del cobreobjectes. Hi observaràs un quimiotactisme positiu. 4. Quimiotactisme negatiu. Repeteix l’experiència anterior però ara posa-hi una gota de la dissolució de NaCl al 0,5 %. Hi observaràs un quimiotactisme negatiu. 5. Quimiotactisme positiu respecte de l’aire. S’han de fer dues preparacions de paramecis, una de normal i una altra en què hi hagi bombolles d’aire i s’hagi posat vaselina als quatre costats del cobreobjectes perquè no hi pugui entrar aire. Al cap d’uns quants minuts, una vegada s’hagi esgotat l’oxigen de l’aire dissolt a l’aigua, hi observaràs que els paramecis de la primera preparació es disposen a prop dels costats del cobreobjectes i que els de la segona preparació es disposen a prop de les bombolles d’aire. Es tracta d’un altre exemple de quimiotactisme positiu. 6. Termotactisme negatiu. Fes una altra preparació de paramecis i escalfa un dels extrems del portaobjectes amb el cremador fins a uns 40°C (per saber que no has superat aquesta temperatura, fes servir el criteri que no t’ha de molestar si te’l poses sobre el dors de la mà). Hi observaràs un termotactisme negatiu.

Practica 54 MITOSI A L’ARREL D’UNA CEBA. Anota totes les incidències que hi vegis i fes dibuixos grans de les diferents fases que has pogut reconèixer amb el microscopi.

184

55 OBSERVACIÓ DEL TACTISME EN ELS PROTOZOUS CILIATS. Pren nota de tots els resultats i redacta un informe que inclogui les teves conclusions sobre els diferents tactismes observats.

unitat 9

La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

10

CONTINGUTS

1 La duplicació del DNA 2 El sentit de creixement dels nous filaments 3 El mecanisme de la duplicació del DNA 4 La teoria «un gen un enzim» 5 L’expressió del missatge genètic 6 El mecanisme de la transcripció 7 La clau genètica 8 La traducció o biosíntesi de les proteïnes 9 La regulació de l’expressió genètica

Watson i Crick van proposar la manera com es replica el DNA. Van suposar que els dos filaments de la doble hèlix es devien separar a partir d’un extrem, com si fos una cremallera. Cadascun devia servir com a motlle per tal que, a partir dels nucleòtids lliures de la cèl·lula i segons la complementarietat de les bases, es formessin els nous filaments. Uns quants anys més tard s’han descobert diferències en el procés que se segueix en cada un dels filaments. • Quin gran avantatge presenta l’estructura molecular del DNA respecte a una cèl·lula que inicia una divisió per generar dues cèl·lules filles? Estructura de la molècula del DNA.

1 La duplicació del DNA 1.1. La necessitat de la duplicació del DNA La durada de la vida dels organismes és molt variable: pot ser d’uns quants minuts, com la dels bacteris; d’uns quants anys, com la dels humans; d’uns quants segles, com la de les tortugues marines, o fins i tot de més d’un mil·lenni, com la de les oliveres. Però sempre hi ha un moment en què els organismes moren, és a dir, tots els éssers vius són temporals. Per això, perquè l’espècie no s’extingeixi, hi ha d’haver un moment en què els individus es reprodueixin i donin lloc a nous individus que continuïn vivint. Per originar aquests nous individus és necessària la formació de còpies del DNA del progenitor o progenitors (si s’engendren per la unió de dos gàmetes), que passen a cada nou individu. Excepcionalment, en el cas d’alguns virus, la informació biològica de com és l’organisme es troba dins d’una molècula de RNA en lloc de DNA. Els processos vitals es prolonguen al llarg del temps gràcies, en darrer terme, a la capacitat de duplicació del DNA.

James Watson i Francis Crick.

1.2. Les primeres hipòtesis sobre la duplicació del DNA L’estructura del DNA en doble hèlix permet comprendre que aquesta molècula és idònia per donar lloc a còpies. D’una banda, l’estructura presenta dues cadenes complementàries entrellaçades, la qual cosa li dóna una gran estabilitat; d’una altra, n’hi hauria prou que un enzim específic les separés perquè cadascuna pogués servir com a motlle per sintetitzar el filament complementari a partir de nucleòtids solts i sota l’acció d’un altre enzim.

Hipòtesi semiconservadora

Hipòtesis sobre la duplicació del DNA. 186

Per explicar aquest procés es van proposar tres hipòtesis: la hipòtesi semiconservadora, la conservadora i la dispersora. • La hipòtesi semiconservadora sobre la duplicació del DNA és deguda als científics Watson i Crick. Proposa que les dues cadenes del DNA inicial se separen i cadascuna serveix de motlle per a la síntesi, segons la complementarietat de les bases nitrogenades, d’una nova cadena. Per tant, en les dues molècules del DNA de doble hèlix produïdes, un dels filaments seria l’antic, i l’altre, el modern. • En la hipòtesi conservadora es proposa que després de la duplicació queden, d’una banda, els dos filaments antics junts i, de l’altra, els dos filaments nous també espiralitzats. • En la hipòtesi dispersiva es proposa que els filaments, al final, estan constituïts per fragments diferents de DNA antic i de Hipòtesi Hipòtesi DNA acabat de sintetitzar. conservadora dispersora L’experiment definitiu per dilucidar quina d’aquestes tres cadena antiga hipòtesis era la correcta va cadena de nova creació ser el de Meselson i Stahl el 1957. La hipòtesi confirmada va ser la semiconservadora. unitat 10

DNA N14 DNA N1415

DNA N1415 DNA N15

DNA N14

DNA N14

DNA N1415

DNA N1415

DNA N15

Posició del DNA inicial format en un medi amb N15

Resultat després de la primera duplicació en un medi amb N14

Resultat després de la segona duplicació en un medi amb N14

Resultat després de la tercera duplicació en un medi amb N14

Interpretació

Interpretació

Interpretació

Interpretació

Experiment de Meselson i Stahl.

1.3. L’experiment de Meselson i Stahl Meselson i Stahl van cultivar bacteris (Escherichia coli) en un medi amb nitrogen pesant (N15). El N15 és un isòtop del nitrogen N14. Té el mateix nombre d’electrons (7 e) i de protons (7 p) que l’àtom del N14, i així té el mateix comportament químic, però posseeix un neutró més (8 n), per la qual cosa pesa més que el N14. El seu pes atòmic és 15 (7  8  15) i no 14. Això comporta que les molècules de DNA sintetitzades amb N15 pesin més que les construïdes amb N14, fet que permet separar-les amb centrifugació utilitzant un medi que presenti un gradient de densitats. Les molècules de DNA «lleuger» queden més amunt, i les de DNA «pesant», més avall dins del tub de la centrífuga. Per fer l’experiment van passar els bacteris cultivats amb N15 a un medi amb nitrogen normal (N14) durant una mitja hora, que és el temps necessari perquè el DNA bacterià es dupliqui, el van extreure i el van centrifugar. Després, amb rajos ultraviolats, que són molt absorbits quan travessen una dissolució que conté DNA, es va poder deduir que el DNA acabat de sintetitzar ocupava, al tub de centrifugació, una posició intermèdia entre la que ocupava el DNA amb N15 i el DNA amb N14. Així doncs, es tractava d’un DNA «híbrid» i calia descartar la hipòtesi conservadora. Si en lloc de deixar els bacteris en N14 durant una divisió els deixaven durant dues, apareixien dos DNA, un d’híbrid i un altre de lleuger. Si s’hi deixaven durant tres, la proporció de DNA híbrid era més petita. Això descartava la hipòtesi dispersiva i confirmava la hipòtesi semiconservadora. Meselson i Stahl van completar l’experiment amb un altre assaig. Després d’aïllar el DNA «híbrid» i sotmetre’l a una temperatura de 80 a 100 °C durant trenta minuts, van aconseguir que se separessin els dos filaments i, per mitjà d’un refredament sobtat, que no es tornessin a associar de nou. Posteriorment, amb la centrifugació del preparat, van comprovar que un filament era lleuger, i l’altre, dens, fet que va confirmar de manera definitiva la hipòtesi semiconservadora. Aquests experiments s’han dut a terme en molts altres organismes, i en tots s’ha complert la hipòtesi semiconservadora. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

Activitats 1 Observa la il·lustració de la pàgina 186 i comenta per què una de les hipòtesis s’anomena conservadora i una altra, semiconservadora. 2 En la il·lustració d’aquesta pàgina s’observa la posició que ocupa un DNA sintetitzat amb N14, un de sintetitzat amb N15 i el DNA obtingut en la primera experiència de Meselson i Stahl. Explica quina posició hauria ocupat el nou DNA si la hipòtesi conservadora hagués estat la correcta i per què es va descartar aquesta hipòtesi. 3 En aquesta il·lustració també s’observen els resultats després de la segona replicació i de la tercera. Explica quins resultats s’haurien obtingut si la hipòtesi correcta hagués estat la dispersora i per què es va refusar aquesta hipòtesi.

187

2 El sentit de creixement

dels nous filaments 2.1. La síntesi de DNA in vitro Kornberg, un deixeble del bioquímic espanyol Severo Ochoa, va estudiar el mecanisme pel qual, a partir d’un filament, s’hi anava sintetitzant a sobre el nou filament complementari, i quin enzim regulava aquest procés. El 1956, Kornberg va aïllar l’enzim DNA-polimerasa a partir del bacteri Escherichia coli. Aquest enzim és capaç de sintetitzar DNA in vitro*.

In vitro. Procés que es produeix al laboratori i no en una cèl·lula viva.

Per actuar, la DNA-polimerasa necessita la presència de desoxiribonucleòtids-5trifosfats d’adenina, timina, guanina i citosina, ions magnesi Mg2 i un DNA en el qual un dels filaments actua com a filament «patró», i un extrem de l’altre, que s’ha retirat en part, com a «encebador». La DNA-polimerasa és un enzim constituït per uns mil aminoàcids que es troba al nucli i als mitocondris. Té uns quants loci o llocs on es fixen els substrats. Aquests queden ocupats pel DNA patró, el DNA encebador i el següent nucleòtid que s’hi afegeix. Pot unir uns mil nucleòtids per minut i permet la síntesi in vitro de DNA a partir d’un DNA natural. La DNA-polimerasa és incapaç d’iniciar una cadena de novo. El seu paper es limita a afegir nucleòtids a l’extrem d’una cadena preexistent, l’anomenat DNA encebador. Concretament actua afegint nucleòtids a l’extrem que presenta lliure el carboni 3’ del nucleòtid, ja que és incapaç d’afegir-los a l’altre extrem, que és el que presenta lliure el carboni 5’ del nucleòtid. A

3

n P-P-P

3

DNA-polimerasa A

P

3

G P P-

P-

A

T

P 5

P

A

5 3

P

C

3 5

P

T

A…

P 5 3

T

3

3

5

P

G

5 3

Locus de l’encebador

3

G

G…

3 5

P

P 5

P

C

C…

3

C

P

3

5

5

P

P 5 3

3

T

3

P

A…

A

5

3

5

5

P

5 3

G

DNA encebador

3

T

P

P

T

Locus del nucleòtid trifosfat que s’hi incorpora

3

P

A

5 3

3 5

G

P

T

P 5

5 3

2(P–P)

P

3

C

P

5

G

5 3

P

P 5

Locus del patró

G

5

5

n P-P-P

5 3

C

3

A

5

C

P

5 3

3

P

P

C

5

3

T A

5 P 3

+

n P-P-P

5 3

3

C

P

P 5

5 P 3

T

5

T

A

3

A

3

n P-P-P

5 3

5

5 P

P

P

A

3

3

3

5 P

5 P

Mg2

A

5

T

3

C

P 5

DNA patró

5 3

P 5

Estructura i actuació de la DNA-polimerasa. 188

unitat 10

Així doncs, la cadena del DNA encebador tan sols pot créixer en el sentit 5’ → 3’. Per això, en una cadena de DNA, el nucleòtid que té lliure el carboni 5’ és el primer nucleòtid de la cadena, i el que té lliure el carboni 3’ és el darrer nucleòtid afegit i al qual se’n pot afegir un altre. A més, la DNA-polimerasa actua de manera que el nou filament sintetitzat és antiparal·lel i complementari. a) 5 minuts

2.2. El problema de la direcció en la duplicació del DNA in vivo

b) 12 minuts

Entre els primers experiments encaminats a observar la duplicació del DNA en els éssers vius, cal destacar el que va fer Cairns el 1963. La tècnica seguida va consistir a mantenir bacteris de l’espècie Escherichia coli en un medi amb timina marcada amb triti (H3), és a dir, una timina que en lloc d’hidrogen tenia triti. Aquest isòtop radioactiu emet partícules beta (β) capaces d’impressionar una placa fotogràfica, fet que permet localitzar les noves molècules de DNA sintetitzat. Cada dos o tres minuts es dipositava el DNA bacterià sobre una placa sensible per obtenir-ne l’autoradiografia. Així es va obtenir la seqüència completa d’una replicació del DNA, que dura uns trenta minuts: les imatges inicials tenien forma de V; les posteriors, de mitja lluna, i les finals semblaven cercles més o menys aixafats. • Les formes en V corresponen a les anomenades forquetes de replicació, formades pels dos nous filaments de DNA tritiat sintetitzats sobre la doble cadena antiga que s’havia escindit en dos per poder servir de motlles. • Les formes en mitja lluna corresponen a les anomenades bombolles de replicació. • Les formes circulars van fer possible descobrir que el DNA de l’Escherichia coli era circular. L’experiment de Cairns va tornar a confirmar la hipòtesi semiconservadora i, a més, va descobrir l’existència d’un punt concret com a origen de la replicació del DNA bacterià. Erròniament, es va deduir que la replicació era unidireccional, però posteriorment s’ha comprovat que és bidireccional, és a dir, hi ha una forqueta a l’esquerra del punt d’inici i una altra forqueta a la dreta, que van progressant en direccions oposades. Aquest fet va plantejar dos dilemes: el primer era com la DNA-polimerasa podia sintetitzar sense necessitat d’encebador; i el segon, com els dos filaments de la forqueta creixien en paral·lel: si un ho feia en direcció 5’ → 3’, l’altre ho havia de fer en direcció 3’ → 5’, la qual cosa era impossible d’explicar, ja que cap DNApolimerasa treballa en aquesta direcció. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

c) 28 minuts

100 

d) 48 minuts

Formes observades en l’experiment de Cairns.

Origen de la duplicació

Interpretació dels resultats que va obtenir Cairns. 189

3'

5'

5'

3'

Interpretació de les forquetes observades Cap polimerasa no pot afegir nucleòtids aquí

Punt d’iniciació de la replicació 5'

3'

? 3'

5'

3' 5'

3'

Dificultats sorgides en la interpretació dels resultats que va obtenir Cairns.

5'

3'

¿

5'

Cap polimerasa no pot afegir nucleòtids aquí

El 1968, el descobriment que va fer Okazaki d’uns fragments constituïts per uns cinquanta nucleòtids de RNA i uns mil o dos mil nucleòtids de DNA va donar la solució al dilema. Aquests fragments, anomenats fragments d’Okazaki, són sintetitzats per l’RNA-polimerasa, que no necessita encebador, i després per la DNApolimerasa, en direcció 5’ → 3’ sobre diferents regions del filament patró. Més tard, sense moure’s, després de perdre la seva porció d’RNA, es poden fusionar entre si, fins que poden arribar origen de replicació a fer la sensació que el nou ficreixement continu lament de DNA creix en direccreixement discontinu ció 3’ → 5’. És una cosa molt 3' semblant al que passa a la cua d’entrada d’un espectacle: l’acumulació de persones que ca5' creixement discontinu creixement continu minen cap endavant en fila índia forma una cua que creix Explicació del procés gràcies als fragments d’Okazaki cap enrere.

El DNA sempre se sintetitza en direcció 5’ → 3’.

Activitats

4 L’enzim DNA-polimerasa necessita nucleòtids trifosfat malgrat que, un cop incorporats, queden nucleòtids monofosfat. Sabent que els enllaços entre dos grups fosfat són molt rics en energia, quina explicació pots donar a aquest fet?

T

A

T

G

C

C

G

C

G

A

T

A

T

C

5 El nou filament sempre creix en direcció 5’ → 3’. Això vol dir que l’enllaç entre el darrer nucleòtid i el nou que s’hi incorpora és un enllaç en direcció 5’ → 3’ o que és en direcció 3’ → 5’?

G

A

T

T G

C

6 Quina és la seqüència de DNA complementari de: 5’... A C T C A G G T A ...3’?

A G

7 Si en un DNA d’una cèl·lula eucariota hi ha el 18 % de timina, quin percentatge hi ha de totes les altres bases nitrogenades?

T

C

C

G

G C

T A

C G

A T

190

A C

T

9 El dibuix adjunt sobre la replicació conté diversos errors i està incomplet. Corregeix-lo i completa’l.

T

8 Què són els fragments d’Okazaki?

C

G

C

A

U

G

A

Observa la il·lustració sobre l’estructura i actuació de la DNA-polimerasa (pàgina 188) i respon les preguntes següents:

unitat 10

3 El mecanisme de la duplicació del DNA La duplicació del DNA presenta algunes diferències en bacteris i en eucariotes.

3.1. El mecanisme de la duplicació del DNA en bacteris Filament conductor

Origen de la replicació

Filament retardat

Filament retardat

Origen de la replicació

Filament conductor

Direcció general de la replicació Proteïnes estabilitzadores Helicasa

3

DNA pol III

2 1

Filament conductor

DNA-ligasa Forqueta de replicació

5’

DNA pol I

3’ 4 5

Primasa

DNA pol III

2

Filament retardat

1

Cebador

3’ 3

5’

4

7 6

5

1. Hi ha una seqüència de nucleòtids al DNA, anomenada «origen de la replicació», que actua com a senyal d’iniciació de tot el procés de duplicació. 2. El procés s’inicia amb un enzim anomenat helicasa que trenca els ponts d’hidrogen entre els dos filaments complementaris i els separa perquè serveixin de patrons o motlles. Com que el desenrotllament de la doble hèlix dóna lloc a superenrotllaments en la resta de la molècula, capaços d’aturar el procés, cal l’acció de topoisomerases que eliminin les tensions de la fibra. Aquests enzims actuen tallant una fibra (les topoisomerases I) o les dues fibres (les topoisomerases II) i, un cop eliminades les tensions, empalmant-les novament. La topoisomerasa II de l’Escherichia coli s’anomena girasa. 3. A continuació, hi intervenen unes proteïnes que s’enllacen sobre el DNA de filament únic. Són les proteïnes estabilitzadores (SSB), que tenen com a funció mantenir la separació dels dos filaments complementaris. D’aquesta manera s’inicia la formació de la forqueta de replicació. 4. El procés és bidireccional, és a dir, hi ha una helicasa que treballa en un sentit i una altra que treballa en sentit oposat. Les dues forquetes de replicació formen les anomenades bombolles o ulls de replicació. 5. Com que cap DNA-polimerasa no pot actuar sense encebador, primer hi intervé una RNA-polimerasa que sí que ho pot fer. Aquest enzim s’anomena primasa i sintetitza un fragment curt de RNA format per uns deu nucleòtids, anomenat primer, que actua com a encebador. 6. Després hi intervé la DNA-polimerasa III, que, a partir del primer, comença a sintetitzar en direcció 5’ → 3’, com totes les polimerases, un filament de DNA a partir de nucleòtids trifosfat. Els mateixos nucleòtids, que perden dos dels seus grups fosfat, aporten l’energia necessària per al procés. Aquest nou filament és de creixement continu, ja que l’helicasa no s’atura, i s’anomena filament conductor. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

Mecanismes de duplicació del DNA en bacteris.

191

7. Sobre l’altre filament, que és antiparal·lel, l’RNA-polimerasa sintetitza un filament d’uns quaranta nucleòtids d’RNA en un punt que dista uns mil nucleòtids del senyal d’iniciació. A partir d’aquests, la DNA-polimerasa III sintetitza uns mil nucleòtids de DNA, i aleshores es forma un fragment d’Okazaki. Aquest procés es va repetint a mesura que es van separant els dos filaments patró. Posteriorment, hi intervé la DNA-polimerasa I (la DNA-polimerasa que va aïllar Kornberg), que primer, gràcies a la funció exonucleasa, retira els segments d’RNA, i després, gràcies a la funció polimerasa, omple els buits amb nucleòtids de DNA. Finalment, hi intervé la DNA-ligasa, que empalma entre si els diferents fragments. Així doncs, aquest filament és de creixement discontinu. Com que necessita que es desespiralitzi un segment d’uns quants milers de nucleòtids perquè se n’iniciï la síntesi, tarda més a créixer que l’altre, i per això s’anomena filament retardat. 8. El procés continua d’aquesta manera fins a la duplicació total del DNA. Com es pot observar en la il·lustració de la pàgina anterior, com que el creixement és bidireccional, cadascun dels nous filaments està sintetitzat, en part, de forma contínua i, en part, de forma discontínua. Tan sols en alguns casos excepcionals, els dos filaments del DNA poden créixer de forma discontínua.

3.2. El mecanisme de la duplicació del DNA en eucariotes El procés en aquests organismes és semblant al que se segueix en els bacteris. Cal destacar-ne dues diferències bàsiques i també uns quants petits detalls.

orígens de la replicació

• La primera gran diferència és que el DNA dels eucariotes està força associat a histones. S’ha observat que, durant la replicació, el filament que serveix de patró al filament conductor es queda les histones i tots dos s’enrotllen sobre els octàmers antics. El filament que serveix de patró al retardat i el retardat es caragolen sobre nous octàmers d’histones que arriben als llocs de replicació per formar altres nucleosomes.

origen de la replicació filament conductor

filament retardat

filament retardat

filament conductor

DNA bombolla de replicació

forqueta de replicació

filament conductor

forqueta de replicació

filament retardat

DNA a la cromatina

nous nucleosomes

Replicació del DNA en els cromosomes eucariòtics. 192

origen de la replicació

nucleosoma patern

Distribució dels nucleosomes en la replicació del DNA eucariòtic. unitat 10

• La segona gran diferència és que, tenint en compte que la longitud del DNA d’un cromosoma eucariòtic és molt més gran que el DNA bacterià (uns cinquanta mil·límetres davant d’una mica més d’un mil·límetre) i que, segurament per la presència d’histones, el procés és bastant més lent (unes deu vegades més lent), en cada DNA d’un cromosoma no hi ha un sol origen de replicació, sinó aproximadament un centenar. S’hi formen unes cent bombolles de replicació, que es distribueixen irregularment, i així hi ha regions amb moltes bombolles i regions amb molt poques. S’activen de manera coordinada i constitueixen les anomenades unitats de replicació o replicons. Entre els detalls diferenciables cal destacar que els fragments d’Okazaki són més petits, d’uns cent a dos-cents nucleòtids, i que el procés de replicació es duu a terme durant el període S de la interfase, que dura, aproximadament, de sis a vuit hores.

a

b

A més de l’aparença, també són diferents els mecanismes de duplicació del DNA en cromosomes procariotes (a) i eucariotes (b).

Activitats 10 Completa un quadre com aquest. Especifica la funció dels enzims següents, que intervenen en la duplicació del DNA bacterià. Enzim

Funció

Processos en què intervé

DNA-polimerasa III Helicasa RNA-polimerasa DNA-ligasa Primasa Topoisomerasa II Topoisomerasa I DNA-polimerasa I 11 Per què el filament retardat se sintetitza de manera discontínua? 12 Per què el filament discontinu tarda més a sintetitzar-se si té més punts d’iniciació? 13 Després d’extreure i de desnaturalitzar el DNA d’uns quants bacteris (Escherichia coli) que iniciaven la replicació, Okazaki va observar que hi havia fragments llargs de cadena senzilla, d’uns mil nucleòtids; si deixava que la replicació progressés durant més temps, hi trobava fragments llargs de cadena senzilla i fragments curts. Quina relació poden tenir aquests resultats amb el fet que les DNA-polimerases tan sols actuen en sentit 5’ → 3’? 14 Diferencia entre procariotes i eucariotes en la duplicació del DNA. 15 Copia l’esquema següent i, sense consultar el llibre, posa-hi els noms dels enzims que intervenen en la duplicació del DNA bacterià.

La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

193

4 La teoria «un gen - un enzim» 4.1. La investigació de Garrod N

n

n Homozigot recessiu

N

n Heterozigot

X

F1 Nn Gàmetes

Un cop coneguda l’estructura del DNA i com es duplica, faltava descobrir com el seu missatge es materialitza en les característiques de l’organisme. El punt de partida va ser la recerca realitzada pel metge anglès A. E. Garrod el 1901. Ell havia estudiat diverses malalties humanes hereditàries. Una d’aquestes, l’alcaptonúria, es caracteritza per artritisme i ennegriment dels cartílags i de l’orina (quan aquesta entrava en contacte amb l’aire). Un any abans, els científics Correns, De Vries i Tschermak havien redescobert les lleis de l’herència proposades per Mendel el 1866, i el món científic estava molt interessat a detectar caràcters hereditaris i saber com s’heretaven.

Homozigot dominant

N

N

Nn

n

N

n

F2 NN

Nn

Nn

Dos individus normals poden tenir descendència afectada d’alcaptonúria.

nn

Els conceptes genètics necessaris per entendre la relació entre el DNA i els caràcters hereditaris són: gen, locus, diploide, haploide, dominant i al·lel. • Gen. És un fragment d’àcid nucleic que duu informació per a un caràcter. Correspon al terme «informació hereditària» utilitzat per Mendel. • Locus. És el lloc que ocupa un gen en el cromosoma. • Diploide. Ésser que té dos cromosomes de cada tipus. Un és heretat del pare i l’altre, de la mare. • Haploide. Ésser que només té un cromosoma de cada tipus. • Gen dominant. Es tracta del gen que imposa la seva informació, és a dir, que no deixa que s’expressi l’altre gen que porta informació sobre el mateix caràcter i que rep el nom de gen recessiu. • Al·lel. Cadascun dels diferents gens que poden ocupar un mateix locus. En un ser diploide, per a cada caràcter hi ha dos gens que són al·lels entre si.

En l’alcaptonúria, es tracta d’un locus que té dos al·lels: l’al·lel normal i l’al·lel alcaptonúria, en què l’al·lel normal (N) és dominant i l’al·lel alcaptonúria (n) és recessiu. Estudiant la genealogia dels individus malalts, Garrod va observar que l’alcaptonúria era una malaltia hereditària, ja que sempre hi havia algun avantpassat que n’havia patit. La malaltia tan sols apareixia quan les dues informacions rebudes, és a dir, la que rebia per part del pare i la que rebia per part de la mare, indicaven alcaptonúria (homozigot recessiu nn). Quan les dues informacions eren normals, o quan simplement ho era una, l’individu era normal (homozigot dominant NN o heterozigot Nn). Així doncs, es tractava d’una malaltia provocada per una informació genètica anormal, que era recessiva respecte de la informació correcta.

A FONS La genètica mendeliana La genètica mendeliana es basa a deduir la informació genètica dels organismes a partir de les proporcions dels descendents. Cada característica d’una espècie rep el nom de caràcter biològic. Per exemple, en el pèsol podem citar «color de la llavor», «forma de la llavor», «color de les flors», etc. Cada un dels caràcters biològics es pot manifestar de diferents maneres, per exemple el color de la llavor pot ser groc o verd. En la majoria dels organismes eucariotes, cada manifestació depèn de dues informacions o gens, aportats pels dos progenitors. Els gens que informen sobre un mateix caràcter es diuen al·lels. Quan un al·lel no en deixa manifestar un altre, es diu que és dominat respecte a l’altre, que s’anomena recessiu. Quan això passa es diu que se segueix un patró d’herència dominant.

194

unitat 10

4.2. La formulació de la teoria A partir d’anàlisis clíniques, es va esbrinar que el motiu de l’ennegriment de l’orina i els cartílags era degut a la presència de l’àcid homogentísic. Llavors es va suposar que en els individus sans aquesta substància es transformava en d’altres i desapareixia. D’aquesta manera es va poder passar d’un paral·lelisme entre gen i caràcter a un paral·lelisme entre gen i substància. Gens

Caràcter

Substància a l’organisme

AA

Normal

No hi ha àcid homogentísic.

Aa

Normal

No hi ha àcid homogentísic.

aa

Alcaptonúria

Sí que hi ha àcid homogentísic.

Molt després, el 1948, Beadle i Tatum van estudiar el problema de per què apareixien aquestes substàncies a l’organisme i per què s’heretava aquest caràcter. Per fer els experiments, van escollir el fong Neurospora crassa, que tan sols necessita per viure substàncies minerals, una font orgànica de carboni i biotina. Per mitjà de radiació amb rajos ultraviolats (que alteren el DNA), van originar mutants que només sobrevivien si a més s’hi afegia l’aminoàcid arginina, necessari per sintetitzar-ne les proteïnes. Per tant, havien perdut la capacitat de sintetitzar aquest aminoàcid. Altres mutants originats necessitaven o arginina o citrul·lina, i d’altres, o arginina o citrul·lina o ornitina. A partir d’aquí, es va deduir que la síntesi d’arginina devia seguir la via metabòlica següent: Activitats (substrat)

--→

ornitina

--→

citrul·lina

--→

arginina

--→

(proteïnes)

Gràcies a anàlisis bioquímiques es va poder confirmar que els diferents mutants estaven mancats de determinats enzims i que, en cadascun, augmentava molt un dels components de la via de l’arginina. La conclusió era òbvia: com que falta un enzim, el metabolisme queda bloquejat en aquella substància sobre la qual havia d’actuar. Els mutants sí que podien viure, si s’afegia al medi la substància que no podien sintetitzar, o qualsevol de les substàncies derivades d’aquesta, ja que sí que tenien els altres enzims. Així es va establir un paral·lelisme entre gens i enzims, i aquesta hipòtesi es va anomenar teoria d’un gen - un enzim. Aquesta teoria afirma que quan s’altera la seqüència de nucleòtids d’un gen, falta un enzim. Així doncs, és per mitjà dels enzims que es controlen les substàncies, i per aquestes, les característiques dels organismes. GEN 1

GEN 3

--→

--→

enzim 1

enzim 2

enzim 3

--→

--→

--→

ornitina

--→

citrul·lina

A

C

D

E

G

Mutant 1

     

--→

Mutant 2

     

Mutant 3

     

Mutant 4

     

Mutant 5

     

arginina

--→

(proteïnes)

A partir d’aquest tipus d’estudis, anomenats genètica bioquímica, s’han pogut establir moltes rutes bioquímiques, entre les quals hi ha la del metabolisme de la fenilalanina, al qual pertany l’alcaptonúria estudiada per Garrod. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

B

--→

--→ (substrat)

GEN 2

16 Es coneixen cinc tipus de mutants. Tots necessiten la substància G per alimentar-se. Molts mutants, si no hi ha G al medi, la saben produir a partir d’altres substàncies, anomenades A, B, C, D i E. En la taula adjunta s’indica el tipus de mutant: amb un () si és capaç de viure amb aquesta substància, i amb un () si no ho és. Indica l’ordre d’aquestes substàncies en la ruta metabòlica. En la taula es pot observar que el mutant 5 pot viure amb qualsevol substància menys amb la E, per tant, està mancat de l’enzim que transforma E en la següent i, en conseqüència, E és la primera substància de la via metabòlica.

195

5 L’expressió del missatge genètic Un cop Beadle i Tatum van establir el 1948 el paral·lelisme entre gens i enzims i després que Watson i Crick proposessin, el 1953, el model de doble hèlix, Crick va proposar l’anomenada «hipòtesi de la col·linearitat», en la qual s’estableix una correspondència entre la seqüència de nucleòtids del gen i la seqüència d’aminoàcids de l’enzim que el gen codifica. En el mecanisme pel qual es passa d’una seqüència a l’altra es poden diferenciar dos processos: un es duu a terme al DNA cel·lular o genoma, i l’altre, als ribosomes. transcripció

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→

−−−−−−−−−−→

−−−−−−−−−−→

traducció

−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→ RNAm −−−−−−−−−−−−−−−→

DNA

proteïnes

retrotranscripció

Duplicació del DNA

Als ribosomes es passa d’una seqüència de ribonucleòtids d’aquest RNAm a una seqüència d’aminoàcids. Aquest procés s’anomena traducció.

DNA

Principals processos en la genètica molecular.

Posteriorment es va descobrir que alguns virus podien produir DNA a partir del seu RNA, procés que s’anomena retrotranscripció.

Unitat de transcripció

Promotor 5’ 3’

3’ 5’ Punt d’inici

RNA polimerasa

1

5’ 3’

3’ 5’ 2

ELONGACIÓ

RNA transcrit 5’ 3’

3’ 5’

C C A A T T U T U A C A C C A U C C A A A T A C G T T Cadena de DNA patró Direcció de la transcripció 5’ → 3’ C

A

de la transcripció La transcripció és el pas d’una seqüència de DNA a una seqüència d’RNA, tant si és RNAm com RNAr o RNAt. Per ferho, hi intervenen el DNA, ribonucleòtids trifosfat de A, C, G i U, les RNA-polimerases (RNAp) i els cofactors. Se’n poden distingir dos mecanismes diferents, segons si es tracta de bacteris o de cèl·lules eucariotes.

6.1. La transcripció en procariotes Els bacteris només tenen un tipus d’RNA-polimerasa. En el cas de la síntesi d’RNAm es distingeixen les etapes següents.

Cadena de DNA complementària

RNA polimerasa

6 El mecanisme

INICIACIÓ

RNA transcrit

T

Iniciació

G

3’

Al DNA cel·lular, que en les cèl·lules eucariotes es troba al nucli, es passa d’una seqüència de bases nitrogenades d’un gen a una seqüència de bases nitrogenades complementàries pertanyents a un RNAm. Aquest procés s’anomena transcripció.

G

5’

5’

RNA recent sintetitzat

3

FINALITZACIÓ

5’ 3’

3’ 5’ Transcrit d’RNA complert

Transcripció en bacteris (procariotes). 196

Abans de cada regió de DNA que es transcriu, l’anomenada unitat de transcripció, hi ha una regió de DNA que no es transcriu, anomenada promotor. El promotor conté unes seqüències de nucleòtids, anomenades seqüències de consens, a les quals s’associa l’RNA-polimerasa i el primer nucleòtid que serà transcrit. El promotor determina quina de les dues cadenes ha de ser transcrita i, de vegades, és comú a diversos gens. Una vegada l’RNA-polimerasa s’ha fixat sobre el promotor, desenrotlla aproximadament una volta d’hèlix, i inicia la polimerització d’RNA seguint un dels dos filaments del DNA, l’anomenat filament patró. unitat 10

Elongació o allargament El procés continua a raó d’uns quaranta nucleòtids per segon. A mesura que l’RNApolimerasa recorre el filament de DNA patró cap a l’extrem 5’, se sintetitza un filament d’RNA en direcció 5’ → 3’. Exemple de transcripció: Seqüència de DNA: 3’... TACGCT ... 5’ Seqüència d’RNAm: 5’... AUGCGA ... 3’ Finalització

RNA polimerasa II

La finalització es produeix quan l’RNA-polimerasa arriba a una seqüència anomenada terminador. Aleshores se separa i el DNA torna a formar la doble hèlix.

INICIACIÓ ADN

Maduració

ADDICIÓ A LA CAPUTXA

Si el que se sintetitza és un RNAm, no hi ha maduració; en canvi, si és un RNAt o un RNAr, hi ha un transcrit primari, que després sofreix un procés de tall i empalmament similar al que s’explica per als eucariotes a continuació.

6.2. La transcripció en eucariotes En primer lloc, cal ressaltar que hi ha tres tipus d’RNA-polimerasa, segons el tipus d’RNA que s’ha de sintetitzar. En segon lloc, cal destacar que els gens estan fragmentats de manera que sempre cal un procés de maduració en el qual s’eliminin les seqüències sense sentit o introns i s’empalmin les seqüències amb sentit o exons. Excepcionalment hi ha gens, com els de les histones, que no presenten introns. Finalment, cal recordar que en els eucarionts el DNA està associat a histones i formen nucleosomes. S’ha observat que en gens que es transcriuen contínuament (com els de l’RNAr), el DNA sempre està estès, en altres sempre està, aparentment, en forma de nucleosomes, i en altres hi ha transició a la forma estesa tan sols durant la transcripció.

ALLARGAMENT

caputxa 5’

m7 Gppp FINALITZACIÓ caputxa 5’

ADDICIÓ DEL POLI-A 7

m Gppp caputxa 5’

En el cas de la síntesi d’RNAm es distingeixen les etapes següents.

RNA-polimerasa II

Iniciació Hi ha una regió del DNA anomenada regió promotor, on es fixa l’RNA-polimerasa II, que consta de dos senyals anomenats seqüències de consens: la CAAT i la TATA, a diferents distàncies del punt d’inici. Perquè es pugui fixar l’RNA-polimerasa, abans s’han de fixar en aquestes seqüències unes proteïnes anomenades factors de transcripció. Tot el conjunt rep el nom de complex d’iniciació de la transcripció.

m7 Gppp caputxa 5’ Transcrit primari de RNA (precursor) MADURACIÓ (RNPpn)

Elongació o allargament El procés de síntesi continua en sentit 5’ → 3’. Al cap de trenta nucleòtids transcrits s’afegeix una caputxa constituïda per una metilguanosinatrifosfat invertida (m7 Gppp_...) a l’extrem 5’. Un mateix gen pot ser transcrit per diverses RNA-polimerases a la vegada, una darrere de l’altra. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

m7 Gppp RNAm

Transcripció en eucariotes. 197

Finalització La finalització de la síntesi de l’RNAm es produeix quan s’arriba a la seqüència TTATTT del DNA. A continuació, hi intervé l’enzim poli-A-polimerasa, que afegeix a l’extrem final 3’ un segment d’uns 200 ribonucleòtids d’adenina, l’anomenada cua de poli-A, al transcrit primari o preRNAm, també anomenat RNA heterogeni nuclear (RNAhn). Maduració La maduració es produeix al nucli. Un enzim anomenat ribonucleoproteïna petita nuclear (RNPpn), que és un complex de proteïna i RNApn, és el que duu a terme la maduració. Diverses RNPpn s’associen entre si i amb proteïnes, i formen una estructura gairebé de la mida d’un ribosoma anomenada espliceosoma. Aquesta és la que separa els introns gràcies al fet que l’RNApn conté unes seqüències que són complementàries de les dels dos extrems dels introns. Quan s’associen, l’intró es corba i es desprèn. A continuació, actuen unes RNA-lligases específiques que empalmen els exons. L’RNAt i l’RNAr també presenten processos de maduració. En l’RNAt cal destacar l’addició del triplet CCA a l’extrem 3’. La maduració de l’RNAr s’inicia amb l’RNA nucleolar (RNAn), tal com s’ha explicat en l’apartat sobre els àcids nucleics. Transcrit primari de RNAm ( Pre-RNAm)

5’

Exó 1

Exó 2

Intró

Proteïna

Diverses proteïnes

RNApn RNApn

Espliceosoma

5’

Components de l’espliceosoma

Funcionament de les RTNPpn i dels espliceosomes en la maduració de l’RNA.

Intró tallat RNAm

5’ Exó 1

Exó 2

Activitats 17 Escriu la seqüència d’RNAm que es transcriuria de la cadena de DNA següent: DNA: 3’ ... TACAAGTACTTGTTTCTT ... 5’ 18 Escriu la seqüència d’RNAm que es transcriuria de la cadena de DNA següent: DNA: 5’ ... TACAAGTACTTGTTTCTT ... 3’ 19 En aquest segment de la regió promotora de DNA eucariòtic s’observa una seqüència de consens a onze nucleòtids de l’inici de la transcripció. Troba-la i indica la seqüència de nucleòtids de l’RNAm que se sintetitzarà. 3’ ... TCT-TAT-AAT-ATC-GTA-GCA-TAC-AGC-TAG-AAC-GAT ... 5’ 20 Tenen una longitud semblant els gens de procariotes i d’eucariotes que codifiquen per a una mateixa cadena polipeptídica? I els RNAm respectius?

198

unitat 10

7 La clau genètica La interpretació de la clau genètica, és a dir, la relació que hi ha entre la seqüència de nucleòtids i la seqüència d’aminoàcids, es va aconseguir a partir dels descobriments següents: • El 1955, Severo Ochoa i Grunberg-Manago van aïllar l’enzim polinucleòtid fosforilasa, capaç de sintetitzar RNAm sense necessitat de model i a partir de qualsevol tipus de nucleòtids que hi hagués al medi. Així, a partir d’un medi en el qual tan sols hi havia UDP, se sintetitzava un RNAm en el qual únicament es repetia UMP, l’anomenat poli-U (... UUUUUU...). • El 1961, Nirenberg va disposar una sèrie de vint tubs amb els vint aminoàcids proteics en cadascun. A cada tub hi havia un aminoàcid diferent marcat amb C14. A tots i cadascun dels tubs va afegir el poli-U i tots els elements necessaris per a la síntesi proteica. Va observar que tan sols apareixia un polipèptid radioactiu al tub on s’havia marcat la fenilalanina. A partir d’un poli-C en va identificar la col·linearitat amb la prolina. A partir d’un poli-G no va obtenir resultats satisfactoris i a partir d’un poli-A va obtenir un polímer de lisines. Com que tan sols hi ha quatre tipus de nucleòtids i com que hi intervenen vint tipus d’aminoàcids, la col·linearitat no es podia establir d’un en un, ni entre doblets de nucleòtids (42  16), sinó, com a mínim, entre triplets de nucleòtids (43  64) i aminoàcids. • Posteriorment, i amb mescles proporcionades de diferents ribonucleòtids difosfat, es va acabar de deduir la clau genètica i es va confirmar que la col·linearitat es devia establir entre els triplets de nucleòtids i els aminoàcids.

Severo Ochoa. Premi Nobel el 1959.

Segona lletra U UUU

C

A

phe

UUC

UCU UCC

UAU ser

G tyr

UAC

UGU

cys

UGC

U C

UCA

UAA

stop

UGA

stop

A

UUG

UCG

UAG

stop

UGG

trp

G

CUU

CCU

CAU

his

CGU

UUA

CUC

leu

leu

CCC

pro

CAC

CUA

CCA

CAA

CUG

CCG

CAG

AUU

ACU

AAU

AUC

ile

AUA AUG

met

GUU G

A

GUC

val

ACC

thr

AAA

ACG

AAG

GCU

GAU ala

gln

asn

AAC

ACA

GCC

CGC

GCA

GAA

GUG

GCG

GAG

arg

lys

asp

A

CGG

G

AGU

AGA

ser

U C

arg

A

AGG

G

GGU

U

GGC glu

C

CGA

AGC

GAC

GUA

U

gly

Tercera lletra (extrem 3’)

Primera lletra (extrem 5’)

U

C

C

GGA

A

GGG

G

Clau genètica. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

199

L’estudi de la seqüència del DNA humà permet conèixer els mecanismes de síntesi de proteïnes.

L’expressió «codi de la vida» va passar de ser una metàfora i una hipòtesi de treball útil a una realitat verificada experimentalment. En la clau genètica es pot observar que per a alguns aminoàcids hi ha diversos triplets. Generalment difereixen en un sol nucleòtid (per exemple, UAU, UAC són Tyr). Aquesta situació s’anomena degeneració de la clau genètica i representa un avantatge, ja que, encara que es produís un error en la còpia d’un nucleòtid, continuaria la col·linearitat entre el triplet i l’aminoàcid. D’altra banda, si tan sols hi hagués vint triplets que fossin traduïbles, hi hauria 44 triplets (64  20  44) sense sentit, i un simple error en un nucleòtid d’un triplet probablement el convertiria en un triplet sense sentit, i així s’interrompria la biosíntesi. Amb la clau actual simplement hi hauria un aminoàcid diferent i això, tret que pertanyi al centre actiu d’un enzim, no és perillós. Activitats 21 En un experiment de síntesi artificial de RNAm, en què es disposa del 70 % de ribonucleòtids de citosina i el 30 % de ribonucleòtids d’uracil, digues: a) quins tipus de triplets són possibles?, b) quin percentatge hi ha de triplets CCC?, i c) quin percentatge hi ha de triplets amb dues U i una C? 22 En un experiment de síntesi de proteïnes in vitro s’ha utilitzat un RNAm artificial que conté una combinació a l’atzar de nucleòtids d’uracil i adenina; a més, s’hi han afegit ribosomes diferents, RNAt, ATP, enzims i els vint aminoàcids. Però totes les cadenes polipeptídiques obtingudes contenen molt pocs aminoàcids. Pots donar una explicació a aquests resultats? 23 Una cèl·lula té un filament de DNA format per 12.000 parells de nucleòtids. Calcula el nombre de proteïnes de massa molecular igual a 20.000 daltons, que poden ser codificades per aquest filament de DNA. Suposa una massa molecular mitjana de 100 daltons per a cada aminoàcid. 24 Relaciona els termes següents amb la definició corresponent.

200

1. Leu

a) Aminoàcid que només està determinat per un triplet de nucleòtids.

2. Pro

b) Triplet que indica l’aturada de la biosíntesi de la proteïna.

3. Met

c) Aminoàcid que està determinat per sis triplets diferents.

4. Lys

d) Aminoàcid que només està codificat pel triplet de nucleòtids AUG.

5. Trp

e) Triplet que implica l’aturada de la síntesi en el cas que canviï el seu últim núcleotid.

6. Ile

f) Aminoàcid que està determinat per un triplet en què l’últim nucleòtid no és important.

7. UGG

g) Aminoàcid informat per només dos triplets de nucleòtids.

8. UAC

h) Aminoàcid informat per tres triplets diferents de nucleòtids.

unitat 10

8 La traducció o biosíntesi

de les proteïnes

AminoacilRNAt-sintetasa

aa  ATP 

8.1. Activació dels aminoàcids aa

Els aminoàcids, en presència de l’enzim aminoacil-RNAt-sintetasa i d’ATP, tenen la capacitat d’associar-se i donar lloc a un aminoacil-RNAt, de manera que s’alliberen AMP, PPi i queda lliure l’enzim, que després torna a actuar. La unió de l’aminoàcid al seu RNAt específic es duu a terme entre el seu grup carboxil (COOH) i el radical OH de l’extrem 3’ del RNAt.

 PPi

AMP

RNAt

8.2. Traducció aa

Iniciació de la síntesi

La iniciació de la síntesi presenta algunes diferències entre procariotes i eucariotes. En les cèl·lules procariotes l’RNAm no experimenta maduració. Fins i tot abans d’acabar-se la síntesi, ja es comença a traduir. En les eucariotes, l’RNAm se sintetitza al nucli i abans de sortir experimenta un procés de maduració. A l’extrem 5’ porta una caputxa constituïda per una metilguanosinatrifosfat, que permet que els ribosomes la identifiquin, i a continuació es troba l’anomenada regió líder, que no es tradueix. L’RNAm, si és prou llarg, pot ser traduït per uns quants ribosomes alhora, un rere l’altre. Si s’examinen amb el microscopi electrònic, s’observa una mena de rosari de ribosomes que s’anomena poliribosoma.

AMP

AminoacilRNAt-sintetasa

AMP 

aa Aminoacil-RNAt

Activació dels aminoàcids. Formació d’un aminoacil-RNAc.

Adenina

O

L’RNAm s’uneix a una subunitat ribosòmica petita gràcies a una seqüència inicial anomenada regió líder, que no es tradueix, en la qual hi ha uns deu nucleòtids complementaris amb l’RNA ribosòmic. A aquests s’hi associa un aminoacilRNAt iniciador específic, que presenta l’anticodó 3’...UAC...5’ i que porta l’aminoàcid metionina en les cèl·lules eucariotes i l’aminoàcid formilmetionina en les procariotes. Després, la subunitat petita es mou respecte a l’RNAm fins que troba el codó d’iniciació que és 5’...AUG...3’. Aleshores s’estableixen enllaços d’hidrogen entre el codó 5’...AUG...3’ i l’anticodó 3’...UAC...5’. A aquest grup de molècules s’uneix la subunitat ribosòmica gran, i així es forma el complex ribosomal o complex actiu. Aquest procés necessita energia, que és aportada per un GTP i unes proteïnes anomenades factors d’iniciació. En el complex ribosomal es diferencien tres llocs d’unió o centres: • El centre peptidil o centre P, on se situa el primer aminoacil-RNAt; • El centre acceptor o centre A, on se situen els aminoacils-RNAt següents; • El centre de sortida o centre E on se situa l’RNAt sense aminoàcid.

H2C  O   OP  O

H  O OCC NH2  R Aminoàcid

C C

Elongació o allargament de la cadena polipeptídica El primer triplet que es tradueix és l’AUG, que correspon a l’aminoàcid metionina. Al centre A arriba el segon aminoacil-RNAt. El radical carboxil de l’aminoàcid iniciador (metionina) s’uneix amb el radical amino de l’aminoàcid següent per mitjà d’un enllaç peptídic. L’enzim peptidiltransferasa catalitza aquesta unió. Així doncs, el centre P queda ocupat per un RNAt sense aminoàcid. Aleshores es produeix la translocació ribosomal i aquest RNAt passa a ocupar el centre E i surt del ribosoma. El dipeptidil-RNAt ara queda al centre P i el centre acceptor A queda lliure en espera d’un nou aminoacil-RNAt. Aquest procés necessita energia, que aporta un GTP, unes proteïnes anomenades factors d’elongació, i es repeteix en cada un dels codons següents. En els procariotes es tradueix un codó per dècima de segon. La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

5’

Aminoacil-RNA-transferència

Activació dels aminoàcids. Aminoacil-RNAt. 201

Finalització de la síntesi El final de la síntesi està determinat pels anomenats triplets sense sentit, que són tres: UAA, UAG i UGA. No hi ha cap RNAt l’anticodó del qual en sigui complementari. En canvi, són reconeguts pels factors proteics d’alliberació (FR), que necessiten consumir GTP per actuar. S’instal·len sobre el centre A i provoquen que la peptidiltransferasa faci interaccionar el darrer grup –COOH amb l’aigua, amb la qual cosa la cadena polipeptídica queda alliberada. A continuació, l’RNAm i les dues subunitats ribosomals se separen.

8.3. Associació de diverses cadenes polipeptídiques per constituir les proteïnes A mesura que la cadena polipeptídica es va sintetitzant, aquesta va adoptant una determinada estructura secundària i terciària mitjançant els enllaços per pont d’hidrogen i els enllaços disulfur, respectivament. Després d’acabar la traducció, hi ha proteïnes enzimàtiques que ja són actives i d’altres que necessiten eliminar alguns aminoàcids per ser-ho. Alguns enzims necessiten associar-se a ions o a coenzims per ser eficaços. Les proteïnes poden estar constituïdes per una cadena polipeptídica o per diverses subunitats. Les subunitats poden ser iguals o desiguals, segons si provenen del mateix gen o de gens diferents.

Biosíntesi de les proteïnes. Centre P (centre peptidil)

Polipèptid en creixement

Centre A (centre acceptor de nous aminoacil-RNAt)

Centre E (centre de sortida)

Aminoàcid nou que s’afegirà

Subunitat gran

E P A

Lloc d’unió del RNAm

RNAt

Subunitat petita

ELONGACIÓ

Codó

RNAm

Extrem terminal amino

INICIACIÓ Subunitat gran P Met

RNAt iniciador mRNA 5’ Lloc d’unió de l’RNAm

GTP

GDP

3’

Codó iniciador

E

A

5’

Subunitat petita

RNAm

3’

P A

5’

Complementarietat de codó amb anticodó La cadena polipeptídica passa a l’últim RNAt que ha arribat

E

GTP

E P A

GDP

P A

Translocació ribosomal. L’RNAt que ha perdut la cadena polipeptídica passa al centre E i surt del ribosoma E P A

FINALITZACIÓ Últim RNAt

GDP

3’

Complex ribosomal

Formació d’un enllaç peptídic

Factor de lliberació

GTP

E

Polipèptid lliure

Separació de tots els components del complex ribosomal

Codó de finalització (UAG, UAA o UGA)

202

unitat 10

Cèl·lules procariotes

Cèl·lules eucariotes

1. El DNA no està enrotllat formant nucleosomes i, per tant, no necessita desenrotllar-se per ser «llegit». 2. Tan sols hi ha una bombolla de replicació. Els fragments d’Okazaki tenen de 1.000 a 2.000 nucleòtids. 3. Els gens són continus. 4. La transcripció es fa al citosol (el nucleoide o DNA està immers al citosol). 5. Hi ha un sol enzim RNA-polimerasa sigui quin sigui el tipus de RNA que s’ha de sintetitzar. 6. L’RNAt i l’RNAr procedeixen d’un transcrit primari madurat (talls i empalmaments). L’RNAm, a diferència de l’eucariòtic, se sintetitza directament, sense maduració prèvia (no hi ha addició de caputxa, ni eliminació d’introns ni addició de cua de poli-A). 7. La traducció de l’RNAm s’inicia abans que acabi de ser sintetitzat. 8. Els ribosomes reconeixen l’RNAm gràcies al fet que la regió líder conté una seqüència que es complementa amb l’RNA ribosòmic. 9. L’RNAm pot ser policistrònic, és a dir, dóna lloc a més d’una proteïna. 10. El primer aminoàcid de la cadena és la formilmetionina.

1. El DNA està enrotllat i forma nucleosomes, per la qual cosa generalment s’ha de desenrotllar. 2. Hi ha moltes bombolles de replicació o replicons (3.500 al genoma de D. melanogaster). Els fragments d’Okazaki tenen de 100 a 200 nucleòtids. 3. Sovint els gens no són continus, sinó que presenten introns intercalats. 4. La transcripció es fa a l’interior del nucli. 5. Cada tipus d’RNA és sintetitzat per un dels tres tipus d’enzims RNA-polimerases. 6. Tots els transcrits primaris experimenten maduració, però tan sols al preRNAm hi ha addició d’una caputxa (un mGTP invertit) a l’extrem 5’, eliminació dels introns i addició de cua de poli-A. 7. L’RNAm ha d’anar des del nucli fins al citosol, on es duu a terme la traducció. 8. Els ribosomes reconeixen l’RNAm gràcies a la caputxa. 9. L’RNAm sempre és monocistrònic, és a dir, dóna lloc a només una proteïna. 10. El primer aminoàcid de la cadena és la metionina.

9 La regulació de l’expressió genètica

Comparació de la transcripció i la traducció en cèl·lules procariotes i cèl·lules eucariotes.

Les cèl·lules no estan constantment sintetitzant tots els tipus de proteïnes sobre les quals tenen informació. Si fos així, es produiria un caos metabòlic. Així doncs, és evident que ha d’existir un sistema de regulació. Com que la quantitat de proteïnes sintetitzades depèn directament de la quantitat d’RNAm present al citoplasma, i com que la mitjana de vida d’aquest és molt curta (minuts), la quantitat d’RNAm sintetitzat regula els nivells enzimàtics del medi. Per tant, n’hi ha prou de regular la síntesi d’RNAm. Aquesta depèn, en els procariotes, del substrat disponible, i en les cèl·lules eucariotes dels organismes pluricel·lulars, de l’ambient hormonal del medi intern. Precisament en bacteris es va descobrir el model de control negatiu o de l’operó, i de control positiu o per AMP cíclic (AMPc).

9.1. L’operó Establiment del model de l’operó El descobriment de com es controla la síntesi de RNAm es va iniciar a partir de l’anomenat efecte glucosa que va observar J. Monod el 1947.

gen regulador d’operó

Si a un medi de cultiu bacterià de l’Escherichia coli amb lactosa s’hi afegeix glucosa, el nivell de l’enzim β-galactosidasa disminueix sensiblement, i passa de 5.000 a 5 molècules per cèl·lula. Aquesta disminució és lògica, ja que per aconseguir glucosa ja no cal desdoblar la lactosa en glucosa i galactosa, reacció que catalitza la β-galactosidasa. Els enzims tan sols apareixen quan són necessaris i després són degradats. Posteriorment, durant els anys cinquanta, Jacob i Monod, mentre treballaven amb l’Escherichia coli, van descobrir que els enzims reprimits en l’experiment anterior eren tres: la ␤-galactosidasa, la ␤-galactosidpermeasa i la ␤-galactosidtransacetilasa. Els tres enzims estan relacionats amb el metabolisme de la lactosa. D’aquest fet es va concloure que el substrat (glucosa) no tan sols reprimia un enzim, sinó tot el conjunt d’enzims que intervenen en una mateixa via metabòlica.

zona promotora

El 1961, Jacob i Monod van proposar un model anomenat operó, que explica com s’efectua el control de la biosíntesi proteica. En aquest model es diferencien dos tipus de gens: els gens estructurals i els gens reguladors. Els gens estructurals són els que codifiquen les proteïnes estructurals i les proteïnes enzimàtiques. Els gens reguladors són els que codifiquen les proteïnes que tenen com a missió controlar l’activitat dels gens estructurals. Aquestes proteïnes s’anomenen repressores.

gen estructural de la transacetilasa

La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

zona operadora

gen estructural de la galactosidasa

gen estructural de la permeasa

L’operó lac de l’Escherichia coli. 203

Funcionament de l’operó En l’operó lac de l’Escherichia coli hi ha un sol gen regulador i tres gens estructurals. Aquests es troben contigus i es transcriuen tots alhora. Al costat del primer gen estructural que es transcriu hi ha dues zones específiques: la zona promotora, que és on es fixa l’RNA-polimerasa, i la zona operadora, que és on es fixa el repressor. En l’operó lac, el repressor produït pel gen regulador i s’associa a la zona operadora i impedeix que l’RNA-polimerasa, que es troba a la zona promotora, transcrigui els gens estructurals. Aquest operó funciona segons el sistema d’inducció enzimàtica, ja que hi ha unes molècules anomenades inductores, que en aquest cas són les molècules de lactosa, que, en associar-se amb els repressors, els provoquen unes alteracions a l’estructura. A causa d’això, aquests repressors perden afinitat per la zona operadora, i l’RNA-polimerasa, com que no troba obstacles per actuar, transcriu els gens estructurals. Hi ha altres operons que funcionen segons el sistema de repressió enzimàtica, també anomenat repressió per producte final. Per exemple, l’operó his de l’Escherichia coli és el responsable de la síntesi de la histidina. En aquest tipus de regulació, el repressor en estat normal és inactiu, per la qual cosa es fabriquen constantment els enzims necessaris per produir la histidina; però si apareix una altra molècula específica anomenada corepressor, en aquest cas la pròpia histidina, el repressor es torna actiu i el complex repressor-corepressor es fixa sobre la zona operadora, impedeix el pas a l’RNA-polimerasa i es reprimeix la síntesi d’histidina. Al laboratori es comprova que si s’afegeix histidina al medi, desapareixen tots els enzims necessaris per a aquesta síntesi. a RNAp

repressor

RNAm

L’operó lac en estat normal

b RNAp

RNAm

repressor associat a l’inductor galactosidasa permeasa transacetilasa lactosa L’operó lac en presència de lactosa

glucosa  galactosa

Funcionament de l’operó lac. 204

unitat 10

9.2. El control de la biosíntesi proteica per AMP cíclic A més del control de la biosíntesi a càrrec de l’operó, s’ha descrit un altre tipus de regulació: la regulació per l’AMP cíclic. Aquesta molècula la forma, a partir de l’ATP, l’enzim adenilciclasa, situat a la cara interna de la membrana citoplasmàtica. L’AMPc, per actuar, necessita l’acció de la proteïna anomenada proteïna activadora del catabòlit (CAP). El complex CAP-AMPc té una gran afinitat per una zona que hi ha al promotor, anterior al lloc on se situa l’RNA-polimerasa. Sembla que, sense la seva presència, l’RNA-polimerasa que origina l’RNAm que informa dels enzims que metabolitzen la lactosa té moltes dificultats per associar-se al seu lloc a la zona promotora. S’ha comprovat que, quan augmenta el nivell de glucosa a la cèl·lula, disminueix el nivell d’AMPc. Això està motivat perquè la glucosa, quan travessa la membrana plasmàtica, passa a glucosa-6-fosfat i el grup fosfat és aportat per l’ATP. Com que l’ATP es gasta en això, en queda poc per ser convertit en AMPc i, per tant, no es forma prou complex CAP-AMPc. Per aquest motiu, l’RNAp no es pot fixar i, per tant, no es produeixen els enzims per al metabolisme de la lactosa. Això explica l’«efecte glucosa» esmentat abans, que no quedava aclarit en el model de l’operó. Així doncs, tan sols quan s’esgota la glucosa, i a més hi ha presència de lactosa, el bacteri produeix els enzims per metabolitzar aquesta lactosa.

adenilciclasa

ATP

-----------------------→

AMPc  PPi

gen regulador

CAP

AMPc RNAp

9.3. El control de l’expressió gènica en eucariotes gen 1

Les cèl·lules dels organismes eucariòtics pluricel·lulars amb teixits diferenciats responen sobretot a les variacions hormonals del medi intern. En aquestes, les hormones provoquen respostes similars a les que el substrat provoca en bacteris. Encara que totes les cèl·lules tenen el mateix DNA, no en totes es manifesta la mateixa informació, i aquí hi ha la clau de la diferenciació cel·lular. Per exemple, els gens de l’hemoglobina tan sols s’expressen en els eritròcits. Els segments de DNA que es troben molt condensats no s’expressen, mentre que els que estan estesos, fins i tot sense formar nucleosomes i facilitant l’acció de l’RNA-polimerasa, seran els que es transcriuran. Segons les zones que queden condensades, apareix, durant el desenvolupament embrionari, la diferenciació cel·lular, i amb aquesta, l’organogènesi o formació d’òrgans a l’embrió. Segons el tipus de cèl·lula, hi haurà uns receptors de membrana o uns altres i, per tant, tan sols unes seran cèl·lules diana respecte d’unes hormones determinades. El control de l’expressió gènica deguda a les hormones difereix segons si es tracta d’hormones lipídiques o proteiques.

Control de la biosíntesi proteica per AMPc.

Hormona lipídica

Hormona proteica





Proteïnes receptores intracel·lulars

Receptor de membrana

→

HR

HR

→

→ En el nucli, indueixen la transcripció de determinats gens

F

ATP

AMPc

→

La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

gen 3

→

• Les hormones lipídiques, com ara les esteroides, gràcies a la seva composició travessen molt fàcilment la membrana citoplasmàtica. En el citoplasma s’uneixen a proteïnes receptores intracel·lulars i formen complexos «hormona-receptor» (H-R), que es dirigeixen al nucli. Allà es fixen sobre seqüències determinades del DNA i indueixen la transcripció de determinats gens, segurament facilitant la descondensació d’unes zones de DNA. Per exemple, les hormones anabolitzants provoquen la síntesi de proteïnes musculars. • Les hormones proteiques, atesa la mida de les seves molècules, no poden travessar directament la membrana citoplasmàtica. Per fer-ho, s’uneixen a proteïnes receptores específiques de la membrana i es forma el complex H-R. Aquest procés provoca que l’enzim adenilciclasa que es troba a la cara interna de la membrana citoplasmàtica s’activi i passi l’ATP a AMPc, que és l’anomenat segon missatger (l’hormona rep el nom de primer missatger). L’AMPc es dirigeix al nucli i activa les proteïnes reguladores de la transcripció. D’acord amb aquest mecanisme, l’hormona no necessita penetrar a la cèl·lula, simplement estableix contacte amb la membrana per estimular la formació d’AMPc, que s’erigeix com a mitjancer dels efectes biològics de l’hormona a l’interior cel·lular.

gen 2

Activa les proteïnes reguladores de la transcripció

205

Activitats 25 Respecte de la duplicació del DNA, contesta les preguntes següents:

a) La seqüència de l’RNAm transcrit. b) L’estructura primària del fragment de proteïna sintetitzat.

a) A quina velocitat s’hi deuran afegir els nous nucleòtids complementaris?

DNA  5’ ... TCA-CCG-TAT-GAG-AAT-CAT ... 3’.

b) Com són els dos filaments entre si? c) Pot tenir algun avantatge l’aparició d’«errors» que no perjudiquin la supervivència de l’individu? d) Com s’anomenen, en general, aquests errors? 26 Si totes les cèl·lules d’un organisme tenen la mateixa informació al DNA, com expliques l’existència, en un mateix individu, de cèl·lules amb aspectes i funcions diferents?

34 Completa els espais en blanc després de consultar la taula del codi genètic. DNA

ARNm

ARNt

3’  T U C

27 Indica a quin tipus d’àcid nucleic corresponen les seqüències de bases nitrogenades següents: a) 5’ ... C C G A T C ... 3’

c) 3’ ... U A C C G A ... 5’

b) 3’ ... G G A T C C ... 5’

d) 5’ ... A C C G G C ... 3’

Aminoàcids

Trp

A C

28 Quin polipèptid és codificat pel tros de DNA següent?

T

3’ ... C T T C G T C A A A T G ... 5’.

U 29 Escriu una seqüència de DNA que codifiqui la síntesi d’aquest polipèptid: H2N  Cys  Gly  Met  Ala  COOH. 30 Quantes seqüències diferents de DNA porten informació per a la síntesi del polipèptid H2N  Gly  Cys  Gly  Ala  Ser  COOH? 31 Suposem el filament de DNA següent: 3’ ... A A T A C A A A T ... 5’. Durant la transcripció d’aquest fragment hi ha un error, de tal manera que davant del nucleòtid de «C» se’n situa un altre de citosina, en lloc d’un de guanina. Es deurà modificar la seqüència peptídica codificada per aquest filament de DNA? 32 Completa la taula següent, tenint en compte el sentit de lectura de l’RNAm. DNA de doble cadena

ARNm

ARNt

Aminoàcids

5’  C

C T

3’

35 En relació amb el codi genètic, respon les preguntes següents: a) En quins casos es podria conèixer l’aminoàcid incorporat si tan sols es coneguessin els dos primers nucleòtids del codó? b) En quants casos es podria conèixer el codó si es coneix l’aminoàcid incorporat? c) Quins són els aminoàcids que se substitueixen més fàcilment per d’altres quan tan sols canvia un nucleòtid del codó? 36 Quina és la seqüència d’un segment de DNA de doble hèlix que ha servit de motlle per sintetitzar l’RNAm següent: 5’... A U C C U C A U G ... 3’? 37 Un RNAm, amb informació per a una proteïna, és traduït per vuit ribosomes. Calcula el nombre de vegades que s’ha de transcriure aquest gen perquè es formin 6.000 molècules de proteïna.

C A

38 Contesta sí o no. Trp Cèl·lules procariotes T

U

a) L’RNA transcrit primari ja és l’RNAm?

G A G C A 33 A partir de la seqüència de nucleòtids que es transcriu, i que codifica un fragment d’una proteïna determinada, després de consultar la taula del codi genètic, indica:

206

Cèl·lules eucariotes

b) La transcripció i la traducció es fan en compartiments diferents? c) La transcripció i la traducció són simultànies? 39 Consulta l’explicació sobre l’operó his d’Escherichia coli, fes un dibuix similar al que hi ha sobre l’operó lac i indica’n les diferències.

unitat 10

40 Fes el dibuix de dos moments successius d’una translocació ribosomal sobre un RNAm inventat. Consulta la clau genètica.

www

41 Si un bacteri produeix 2.000 tipus de proteïnes i cadascuna té al voltant de 150 aminoàcids, quina longitud mínima expressada en Å ha de tenir la seva molècula de DNA?

47 Consulta la web de Wiley Haiger Education, observa les diferents animacions sobre la síntesi de les proteïnes i fes els exercicis de correcció automàtica que hi ha indicats. http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/ animations/translation/translation.htm.

42 Escriu la seqüència d’RNAm que es transcriuria de la cadena següent de DNA bacterià i la seqüència d’aminoàcids que resultaria de la traducció. 5’... T A C A A G T A C T T G T T T C T T ... 3’ 43 Suposa que les dues guanines es canvien per citosines. Com afectarien aquestes mutacions la seqüència d’aminoàcids? 44 Suposa ara que les dues G s’eliminen de la seqüència del DNA. Com afectarien aquestes altres mutacions la seqüència d’aminoàcids de la proteïna? 45 Quines seqüències nucleotídiques de DNA poden codificar el tripèptid següent? H2N- Lys - Met - Glu - COOH. 46 Quines seqüències nucleotídiques de DNA poden codificar el tripèptid següent? HOOC- Lys - Met - Glu - NH2.

48 Consulta la web de John Kyrk, observa les diferents animacions sobre l’estructura del DNA, la seva replicació, la transcripció i la traducció d’RNAm, i fes una valoració d’aquesta web. http://www.johnkyrk.com/DNAanatomy.html. 49 Consulta la web Biosfera del Ministeri d’Educació, a Batxillerat 2n curs, a l’apartat d’activitats, i fes les activitats 5b (estructura del DNA), 13b (transcripció) i 18b (traducció). http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/ genetica/actividades.htm. 50 Fes els dos tests de resposta múltiple que trobaràs a la web del Departament de Biologia del Colegio San Cayetano. http://perso.wanadoo.es/sancayetano2000/biologia/pags/items/ bloque12.htm, http://perso.wanadoo.es/sancayetano2000/biologia/pags/items/ bloque13.htm.

Interpretació de dades 51 En aquest esquema s’observa una doble hèlix de DNA en la qual un filament ha sofert la pèrdua d’un segment. 3

T

3

A

3

P 5

aa4

A

aa6

aa5

G’

aa7

P

T…

5

P 5

aa1 aa2 aa3

P

A

3

5

P 5

52 En la figura adjunta es pot observar una fase d’una síntesi bioquímica en una cèl·lula eucariota. Respon les preguntes següents:

A

3

P 5

C

C C T 3

T

3

3

G

3

3

C

3

P

T

A…

3

5

P 5

P

G…

3

5

P 5

P

C…

5

P 5

P

A…

5

P

U U U

a) Quins tipus d’enllaços s’han trencat? b) Quins nucleòtids s’hi deuen afegir, en quin ordre i a partir de quin extrem? c) Quin enzim ho deu dur a terme?

La duplicació del DNA i la biosíntesi de les proteïnes

RNAt-aa6 entrant F

A G C

I’

H’

3 5

D

G

5

C

B

3

P

CC

A

5

F

C

P

Lloc N

Lloc M

3

G G G A A A U C G G U C

E aa1

E aa2

E aa3

E aa4

E aa5

E aa6

E aa7

Moviment dels ribosomes

E

a) Quin tipus de biomolècula s’està sintetitzant? b) Quins són els noms de les estructures A, B, C i D? c) Indica la direcció 5’ → 3’ de les dues molècules constituïdes per nucleòtids en G’, H’ i I’. d) Indica amb una lletra quin és el centre M i el centre N, i quin n’és el nom complet. e) Consulta la clau genètica i indica quins són els aminoàcids aa5, aa6 i aa7. f) Com es diuen els triplets assenyalats amb una E? I els assenyalats amb una F? g) On es troba l’anomenat extrem amino terminal? h) Què passaria si en el triplet UCG es canviés la C per una A?

207

Laboratori Investigació bibliogràfica Per a la tasca d’investigació científica és fonamental la bona informació sobre els nous descobriments que es fan arreu del món. En l’actualitat, la recerca no és una feina individual sinó d’equip. A més, els científics de diferents universitats i països es mantenen informats contínuament.

El genoma mínim i la síntesi de vida al laboratori

Estudiants fent una cerca bibliogràfica.

El 25 de gener de 2008 els mitjans de comunicació de tot el món van donar la notícia que la prestigiosa revista científica Science havia publicat que l’equip del Dr. Craig Venter havia sintetitzat el primer genoma complet d’un ésser viu, el Mycobacterium genitalium, un bacteri que pot viure a les vies genitals. L’equip del Dr. Venter el va escollir perquè durant molt de temps es va pensar que era l’organisme més petit, més senzill i amb el DNA més curt que existia. Té un DNA de 582.000 pb i 485 gens.

Actualment es coneixen dos bacteris més petits i amb un DNA més curt. Buchnera aphidicola té un DNA de 420.000 pb i pot arribar a tenir només 450 gens. Fou trobat per la doctora Amparo Latorre de la Universitat de València. Es tracta d’un bacteri endosimbiont que viu dins de les cèl·lules del pugó (insecte xuclador de saba). Carsonella rudii és, de moment, l’organisme més petit que es coneix. Té un DNA de només 160.000 pb i uns 182 gens. Va ser trobat per la Dra. Nancy Moran de la Universitat d’Arizona. Es tracta d’un bacteri endosimbiont de les cèl·lules d’un insecte volador també xuclador de saba. Carsonella proporciona a l’insecte, entre altres coses, l’aminoàcid leucina, que l’insecte no pot sintetitzar, però depèn de les cèl·lules de l’insecte per poder fer la seva membrana, part del seu metabolisme i, fins i tot, la duplicació del DNA. Per tot això molts consideren que Carsonella està en vies d’acabar com un orgànul més de les cèl·lules de l’insecte, com se suposa que va passar amb els bacteris que, per endosimbiosi, van generar els mitocondris i els cloroplasts. Aquesta situació obre el debat sobre si pot existir un ésser viu independent amb només 182 gens. Al 2006 un grup d’investigadors van proposar que el genoma mínim és de 113.000 pb i 151 gens; l’equip del Dr. Moya de l’Institut Cavanilles proposa un mínim de 206 gens i el Dr. Craig Venter considera que són necessaris 385 gens. Cal recordar que el genoma humà presenta uns 3.000 milions de bases i uns 25.000 gens.

Mycobacterium.

L’interès a conèixer el genoma mínim neix de l’objectiu d’arribar a crear organismes amb les qualitats que vulguem. Com menys gens tingui menys energia consumeix per viure i més espai resta per introduir-hi els gens que ens interessin. Podria ser de molta utilitat generar bacteris que puguin nodrir-se d’hidrocarburs i així eliminar aquests residus tòxics, o que puguin produir biocombustibles a partir dels residus orgànics, o que facilitin l’emmagatzematge de diòxid de carboni per evitar o disminuir l’escalfament del planeta. El procediment seguit per l’equip del Dr. Venter ha consistit a sintetitzar petits fragments de DNA, de només 5.000 a 7.000 pb, a partir de nucleòtids de DNA. Es van obtenir 117 fragments que van ser introduïts en el bacteri Escherichia coli. L’activitat biològica d’aquest bacteri va unir els fragments en 25 fragments, després en 8 i després en 4. Com que aquest bacteri no pot emmagatzemar fragments més grans a part del seu propi DNA, els 4 fragments es van introduir en una cèl·lula de llevat, on es van unir en un sol DNA. Ara queda pendent introduir-lo en un Mycobacterium genitalium en què prèviament s’hagi destruït el DNA i veure si el DNA sintètic comença a governar el bacteri. Alguns científics han recordat que per parlar de síntesi d’un organisme també s’ha de sintetitzar els orgànuls de la cèl·lula i la membrana. Cal dir que en el DNA sintetitzat s’ha desactivat un dels gens, el MG408, responsable de la capacitat infecciosa. Fins a aquesta data, el DNA més gran sintetitzat era el del virus F-X-174, de 5.386 pb, també en mans de l’equip del Dr. C. Venter. Sembra de bacteris.

Practica 53 Busca informació sobre C. Venter i les seves investigacions i contrasta-la amb la lectura.

208

54 Imagina que has de fer un breu article per a un diari sobre aquesta notícia. Redacta el text i afegeix-hi algunes consideracions sobre els avantatges i els perills que pot comportar la biologia sintètica.

unitat 10

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

11

CONTINGUTS

1 Les mutacions 2 Les mutacions gèniques 3 Les mutacions cromosòmiques 4 Les mutacions genòmiques 5 Els agents mutàgens 6 L’evolució del concepte de gen 7 El DNA dels organismes eucariotes 8 L’enginyeria genètica 9 L’enginyeria genètica i la teràpia de malalties humanes 10 L’enginyeria genètica i la producció agrícola i animal 11 El càncer: una malaltia genètica 12 El projecte Genoma Humà 13 Riscos i implicacions ètiques de l’enginyeria genètica

El 1901, Hug de Vries, quan treballava amb l’espècie vegetal Oenothera lamarckiana, va trobar inesperadament entre la descendència una forma gegant. La va anomenar forma mutant i va proposar el concepte de mutació per referir-se als canvis inesperats en la informació biològica. Posteriorment es va constatar que, a diferència del cas anterior, les mutacions solen produir canvis molt petits i són molt poc freqüents. Per això, l’evolució és un procés que requereix milers o milions d’anys. • Per què creus que les mutacions, malgrat la seva baixa freqüència, són la base de l’evolució i no ho és la recombinació genètica, que és molt més freqüent?

1 Les mutacions Les mutacions són alteracions a l’atzar del material genètic (DNA a les cèl·lules i DNA o RNA als virus). Normalment signifiquen deficiències i poden arribar a ser letals. En general són recessives i queden amagades. Malgrat que normalment són negatives per a l’individu, comporten un aspecte positiu per a l’espècie, ja que aporten variabilitat a la població. Això permet que, si es produeix un canvi en l’ambient i les noves condicions són molt adverses per als individus normals, l’existència d’individus mutants faci possible que alguns suportin aquestes condicions i, gràcies a aquests, que l’espècie no s’extingeixi. Aquest procés s’anomena selecció natural. Així doncs, les mutacions permeten l’evolució de les espècies i, per tant, la continuïtat de la vida al llarg de milions d’anys. Les mutacions poden tenir lloc en cèl·lules somàtiques (mutacions somàtiques) i en cèl·lules reproductores (mutacions germinals). Les mutacions que es donen en les cèl·lules somàtiques, tret que les converteixin en cèl·lules cancerígenes, no tenen gaire importància, ja que si les cèl·lules no són viables, es poden substituir per altres cèl·lules, i si són viables, com que es divideixen per mitosi, donen lloc a una colònia o un clon de cèl·lules mutants iguals a la primera, sense cap altra complicació. En canvi, les mutacions germinals sí que són transcendentals, ja que totes les cèl·lules del nou organisme tindran la mateixa informació que la cèl·lula zigot. Les mutacions poden aparèixer espontàniament (mutacions naturals) o poden ser provocades artificialment (mutacions induïdes) per mitjà de radiacions i determinades substàncies químiques, que s’anomenen agents mutàgens. Mutació en una planta de camamilla.

En els humans, la taxa de mutació espontània és d’un gen mutat per cada 50.000 gens. Com que en l’espècie humana hi ha uns 25.000 gens continguts en 23 cromosomes, resulta que de mitjana hi ha un gen mutat a cada dos gàmetes. Com que cada zigot es forma a partir de dos gàmetes, a cada generació s’incorpora un gen mutat per individu; per tant, milions si es considera tota la població mundial (tot i que alguns autors consideren aquests valors massa alts). És l’anomenada càrrega genètica d’efectes negatius, que va augmentant a cada generació, sobretot en les poblacions més desenvolupades, ja que la utilització de fàrmacs permet la supervivència dels afectats. Segons l’extensió del material genètic afectat, es distingeixen tres tipus de mutacions: • Mutacions gèniques (alteracions de la seqüència de nucleòtids d’un gen). • Mutacions cromosòmiques (alteracions de la seqüència de gens d’un cromosoma). • Mutacions genòmiques (alteracions del nombre de cromosomes).

Activitats 1 Les mutacions són alteracions a l’atzar o dirigides cap a un canvi concret? 2 Les mutacions, generalment, milloren o empitjoren la informació inicial? Per què són la base de l’evolució de les espècies? 3 El mosaïcisme és la presència de cèl·lules amb diferent informació genètica en un mateix individu. Quina pot ser la causa d’aquest fenomen? 4 A les illes, acostuma a haver-hi moltes espècies endèmiques, és a dir, que no existeixen en cap altre lloc del món. Per què creus que es produeix aquest fenomen?

210

unitat 11

2 Les mutacions gèniques 2.1. Classificació de les mutacions gèniques Les mutacions gèniques són alteracions en la seqüència de nucleòtids d’un gen. Per això també s’anomenen puntuals. Segons el tipus d’alteració, es classifiquen en mutacions per substitució de bases i en mutacions per pèrdua o inserció de nucleòtids. • Mutacions per substitució de bases. Són canvis d’una base per una altra. Com que hi ha dos tipus de bases, les púriques (A i G) i les pirimidíniques (T i C), es distingeixen dos tipus de substitucions de bases: a) Transicions. Substitucions d’una purina per una altra, o d’una pirimidina per una altra. b) Transversions. Substitucions d’una purina per una pirimidina, o a l’inrevés. Les substitucions provoquen l’alteració d’un únic triplet i, per tant, tret que indiquin un triplet d’aturada, o un aminoàcid diferent del centre actiu d’un enzim, no solen ser perjudicials. Tan sols constitueixen el 20 % de les mutacions gèniques espontànies. • Mutacions per pèrdua o inserció de nucleòtids. Aquestes mutacions s’anomenen delecions o addicions, respectivament. Com que el missatge genètic es tradueix de tres en tres, les delecions i les addicions, tret que es compensin entre si, produeixen un corriment en l’ordre de lectura i, per tant, alteren tots els triplets següents. Les conseqüències que comporten solen ser greus. Constitueixen el 80 % de les mutacions gèniques espontànies. A la taula següent es mostra una petita seqüència de nucleòtids de DNA, la seqüència de nucleòtids d’RNAm que originaria i la seqüència d’aminoàcids que sintetitzaria. S’indica on són els radicals –NH2 i –COOH per identificar el principi i el final de la cadena polipeptídica indicada. A continuació es poden veure les conseqüències de diferents tipus de mutacions gèniques. Algunes no comportarien cap alteració en la seqüència d’aminoàcids; en canvi, d’altres provocarien una seqüència d’aminoàcids completament diferent.

Normal

Transició

Transversió

Deleció

Addició

DNA normal

3’ . .

TAC

GGA

GAT

TCA

AGA

GAG

. . 5’

RNAm normal

5’ . .

AUG

CCU

CUA

AGU

UCU

CUC

. . 3’

Proteïna normal

H2N–

Met

Pro

Leu

Ser

Ser

Leu

–COOH

DNA mutant

3’ . .

TAC

GGA

GAC

TCA

AGA

GAG

. . 5’

RNAm mutant

5’ . .

AUG

CCU

CUG

AGU

UCU

CUC

. . 3’

Proteïna normal

H2N–

Met

Pro

Leu

Ser

Ser

Leu

–COOH

DNA mutant

3’ . .

TAC

GGA

GTT

TCA

AGA

GAG

. . 5’

RNAm mutant

5’ . .

AUG

CCU

CAA

AGU

UCU

CUC

. . 3’

Proteïna alterada

H2N–

Met

Pro

Gln

Ser

Ser

Leu

–COOH

DNA mutant

3’ . .

TAC

GGG

ATT

CAA

GAG

AG

. . 5’

RNAm mutant

5’ . .

AUG

CCG

UAA

GUU

CUC

UC

. . 3’

Proteïna alterada

H2N–

Met

Pro

Stop

DNA mutant

3’ . .

TAC

GGA

GGA

TTC

AAG

AGA

G . . 5’

RNAm mutant

5’ . .

AUG

CCU

CCU

AAG

UUC

UCU

C . . 3’

Proteïna alterada

H2N–

Met

Pro

Pro

Lys

Phe

Ser

–COOH

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

Mutacions gèniques. 211

2.2. Causes de les mutacions gèniques Les mutacions gèniques es poden produir per tres causes: per errors de lectura durant la replicació del DNA, per lesions fortuïtes, com ara la ruptura de l’enllaç que uneix una base nitrogenada a la desoxiribosa, o per transposicions (canvis de posició) d’uns segments del gen. • Errors de lectura. Els errors de lectura que hi pot haver durant la replicació del DNA poden ser deguts a dues causes: als canvis tautomèrics i als canvis de fase. a) Els canvis tautomèrics. Cada base nitrogenada es pot presentar en dues formes diferents anomenades formes tautomèriques o tautòmers; una és la normal i l’altra és la rara. Les dues formes estan en equilibri, i espontàniament es passa de l’una a l’altra, fet que s’anomena canvi tautomèric. Això, si succeeix durant la replicació, implica mutacions, ja que canvia la base complementària en el nou filament de DNA. Per exemple, la forma normal de la G es complementa amb la C, mentre que la forma rara de G, és a dir, la forma tautomèrica, ho fa amb la T.

H3C

CH3 O

O H

N

H O

N

N

H Forma rara de la timina

H

N

O

H N H

Timina

N

N

N

H H

H N

H

N

N

N

Forma rara de la guanina

N

N

N

O

N

H

H

N N

Forma rara de la citosina

N

N

N O

N

H

Guanina

N H

N

N

O

H

H

O

N

N

Citosina

N

N

N Forma rara de l’adenina

Adenina

Aparellaments erronis deguts a les formes tautomèriques.

b) Els canvis de fase. Són lliscaments del filament que es forma sobre el filament motlle, de manera que queden bucles quan es tornen a aparellar. El creixement continua i la diferència queda fixada, i així s’origina la mutació.

Canvi de fase T C  G  T  T  T  T  G  C  A  A  A  A  C

C  G  T TT G  C  A  A  A  A C

5

Addició d’una T més T

C  G  T T  T  T  G G  C  A  A  A  A  C 

Canvi de fase que dóna lloc a una addició. Els canvis de fase poden donar lloc a addicions i delecions. Aquestes seqüències repetides reben el nom de punts calents perquè són llocs molt més mutables que d’altres. 212

unitat 11

• Lesions fortuïtes. Les lesions fortuïtes són alteracions de l’estructura d’un o uns quants nucleòtids, que apareixen de manera natural. Les més freqüents són: a) Despurinització. Pèrdua de purines per ruptura de l’enllaç entre aquestes i les desoxiriboses. Es produeixen a raó d’unes 5.000 a 10.000 per dia, a cada cèl·lula humana. b) Desaminació. Pèrdua de grups amino a les bases nitrogenades, que aleshores s’aparellen amb una de diferent de la normal. Se’n produeixen unes 100 per genoma i dia. c) Dímer de timina. Enllaç entre dues timines contigües. Generalment el provoquen els rajos ultraviolats de la radiació solar. • Transposicions. Són canvis de lloc espontanis de determinats segments de DNA, els anomenats elements genètics transposables. Aquests poden ser més petits que un gen (com les anomenades seqüències d’inserció), un gen, o un grup de gens (com els anomenats transposons). Les transposicions poden produir mutacions gèniques si l’element genètic transposat se situa dins d’un gen, o mutacions cromosòmiques si passa a un lloc on no hi ha un gen, tant dins del mateix cromosoma com fins i tot en un altre cromosoma.

Timina

Timina

Esquelet de desoxiriboses Rajos ultraviolats

Dímer de timina

Els rajos ultraviolats provoquen la polimerització de la timina.

Centre d’inserció

DNA acceptor

ALTERACIONS QUE CAUSEN MUTACIONS GÈNIQUES Errors de lectura deguts a

Seqüències d’inserció presents a cada extrem

Canvis tautomèrics Canvis de fases Despurinitzacions

Transposó

Lesions fortuïtes degudes a

Desaminacions Dímers de timina

Gens mòbils Seqüències d’inserció Transposicions de

Un sol gen Transposons

Transposó inserit

Transposons.

Activitats 5 En un determinat filament de DNA s’han produït les alteracions següents: en lloc d’una A hi ha una G, en lloc d’una T hi ha una C, en lloc d’una G hi ha una C, i a més, falta un nucleòtid de C. Quin tipus de mutació és cadascuna? Quina és la més important? 6 En quin triplet d’RNAm dels que codifiquen l’arginina és més probable que la substitució d’una sola base codifiqui el triptòfan? 7 En quin triplet de DNA dels que codifiquen la prolina és més probable que la substitució d’una sola base codifiqui la histidina? 8 Fes un esquema de com a partir del parell A  T, si durant la replicació de la A s’aparella per error amb una C en lloc d’una T, al final es transforma en el parell G  C. Quin tipus de mutació és?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

213

2.3. Les mutacions gèniques i els seus sistemes de reparació La replicació del DNA és un procés que necessita molta precisió. S’ha observat que la DNA-polimerasa té una activitat exonucleasa anomenada correcció de proves, que redueix dràsticament la possibilitat de cometre errors. Aquesta activitat consisteix en el fet que la DNA-polimerasa, abans d’afegir un nou nucleòtid, comprova si l’anterior és el correcte, i si no ho és, el retira i el substitueix pel correcte. Malgrat això, deixa un nucleòtid equivocat per cada 107 nucleòtids afegits. Aquest valor és admissible en un DNA petit com el bacterià, però no en el DNA de les cèl·lules eucariotes perquè, com que és molt més gran, la probabilitat de contenir equivocacions és massa alta. Per evitar aquest problema hi ha un sistema d’enzims, anomenat sistema de reparació, que revisa constantment el DNA acabat de sintetitzar i repara aquestes lesions. Aquests sistemes rebaixen l’error a tan sols un per cada 109 nucleòtids replicats. Aquest error heretable pot representar un desavantatge per a uns quants individus, però permet una variabilitat en la descendència que possibilita la supervivència de l’espècie davant de canvis posteriors del medi. Hi ha tres sistemes diferents de reparació: les reparacions amb escissió del DNA, les reparacions sense escissió del DNA i els sistemes SOS. Dímer de timina 5’ 3’

3’ 5’ Endonucleasa

5’ 3’

P8

8

3’ 5’

3’

5’p

5’ 3’

3’ 5’ 8

DNA-polimerasa 5’ 3’

3’

5’p 3’ 5’

8

DNA-ligasa 5’ 3’

3’ 5’

Reparació amb escissió de DNA.

• Reparació amb escissió del DNA. Aquest procés s’inicia amb una endonucleasa, que detecta l’error i produeix dos talls als dos costats de l’error. Després actua un enzim exonucleasa, que elimina tots els nucleòtids del segment tallat. A continuació, la DNA-polimerasa I sintetitza el segment de forma correcta, i finalment una DNA-ligasa uneix l’extrem final. En el cas d’un error per mal aparellament, per exemple, l’aparellament G  T, el sistema distingeix si l’errònia és la G o la T, gràcies al fet que les adenines sofreixen un procés de metilació al cap d’uns minuts. Fins després d’aquest temps, els enzims de reparació poden distingir el nou filament del filament patró. • Reparació sense escissió del DNA. Es coneixen mecanismes directes de reversió de les lesions. Per exemple, el cas dels enzims fotoreactius, uns enzims que s’activen amb la llum i que són capaços de trencar els enllaços entre dues pirimidines contigües eliminant els dímers de timina. Així doncs, la llum produeix la reparació de la lesió que ella mateixa va originar.

• Sistema SOS. Si per l’acció prolongada d’un agent mutagen important es produeix un nombre elevat de faltes o alteracions de bases nitrogenades en el filament patró, pot ser que s’iniciï la duplicació del DNA sense que els mecanismes hagin acabat d’arreglar-les. Com que la DNA-polimerasa tan sols reconeix A, T, C i G, la duplicació quedaria paralitzada. Per evitar-ho, hi ha un sistema enzimàtic, anomenat enzims correctors del sistema SOS, que elimina aquest bloqueig però a costa d’introduir una base complementària a l’atzar i per això molt probablement errònia. Així s’evita el bloqueig de la replicació, però s’originen cèl·lules filles amb moltes mutacions. Si aquestes afecten el control de la divisió cel·lular, poden ser l’origen de cèl·lules canceroses. Complex de replicació

Complex de replicació bloquejat

Lesió que impedeix la continuació de la replicació

Replicació de DNA

Aturada

Complex de replicació alterat pels enzims del sistema SOS

Inducció de la resposta SOS

Nucleòtid erroni col·locat per permetre la duplicació

La síntesi de DNA progressa però amb una alteració

Sistema de reparació SOS. 214

unitat 11

3 Les mutacions cromosòmiques Són les mutacions que provoquen canvis en l’estructura interna dels cromosomes. Se’n distingeixen els tipus següents: • Deleció. És la pèrdua d’un fragment del cromosoma. Si el fragment conté una gran quantitat de gens, la deleció pot tenir conseqüències patològiques o fins i tot letals. Per exemple, en els éssers humans, una deleció en el cromosoma 5 produeix la síndrome anomenada cri du chat. Els infants afectats per aquesta síndrome emeten uns sons semblants als miols del gat, presenten microcefàlia, retard mental marcat i, generalment, no arriben a adults. Si una deleció afecta els dos cromosomes homòlegs, sol ser letal. • Duplicació. És la repetició d’un segment d’un cromosoma. La rèplica pot trobar-se en el mateix cromosoma, haver-se unit a un cromosoma no homòleg, o fins i tot haver-se independitzat amb un centròmer propi. Les duplicacions permeten augmentar el material genètic i, gràcies a mutacions posteriors, poden determinar l’aparició de nous gens durant el procés evolutiu. • Inversió. És el canvi de sentit d’un fragment en el cromosoma. Si en el segment invertit es troba inclòs el centròmer, s’anomena inversió pericèntrica, i si no, inversió paracèntrica. Les inversions no solen comportar perjudicis a l’individu però sí als descendents si durant la meiosi es produeix un encreuament dins de la inversió. • Translocació. És el canvi de posició d’un segment de cromosoma. Quan es produeix per intercanvi de segments entre dos cromosomes no homòlegs, que és el més freqüent, s’anomena translocació recíproca. Quan tan sols hi ha translació d’un segment a un altre lloc del mateix cromosoma o d’altres cromosomes, sense reciprocitat, s’anomena transposició. Les translocacions no solen perjudicar l’individu que les ha sofert però sí que poden afectar la descendència, ja que aquesta pot heretar un cromosoma incomplet o amb duplicacions. Aquests descendents hereten de cada progenitor un sol cromosoma de cada tipus i aquest, encara amb més possibilitats si hi ha hagut recombinació, pot ser anormal.

Nansa de deleció observada en els cromosomes gegants de Drosophila melanogaster.

Deleció

Duplicació

Inversió pericèntrica

Activitats Inversió paracèntrica

Translocació recíproca

Translocació no recíproca (transposició)

9 Per què una deleció que només afecti un dels dos cromosomes homòlegs pot ser que no posi en perill la supervivència de l’individu? 10 Per quina raó les duplicacions permeten l’evolució cap a organismes més complexos? 11 Com deurà ser un cromosoma que ha patit una transposició i després una recombinació de la mateixa zona?

Mutacions cromosòmiques. Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

215

4 Les mutacions genòmiques Són les alteracions en el nombre de cromosomes propi d’una espècie. Se’n distingeixen aquests tipus: • Aneuploïdia. És l’alteració en el nombre normal (generalment dos) d’exemplars d’un o més tipus de cromosomes, sense arribar a afectar el joc complet. Poden ser nul·lisomies, monosomies, trisomies, tetrasomies, etc., quan en lloc de dos cromosomes de cada parell no n’hi ha cap, o n’hi ha un, tres, quatre, etc. Un exemple de monosomia en humans és la síndrome de Turner, en la qual les dones, en lloc de tenir dos cromosomes X, tan sols en tenen un (dones X0); en total tan sols tenen 45 cromosomes. Un exemple de trisomia en humans és la síndrome de Down o trisomia del cromosoma 21, en la qual els individus, en lloc de tenir dos cromosomes del tipus 21, en tenen tres; en total tenen 47 cromosomes.

Fissió

La fusió i la fissió cromosòmiques.

Per alteracions en els heterocromosomes

Fusió

Per alteracions en els autosomes

Nom de la malaltia

Tipus de mutació genòmica

Quadre clínic

Síndrome de Down

Trisomia del cromosoma 21 (tenen 47 cromosomes).

Deficiència mental. Trets facials orientals. Cara plana i ampla.

Síndrome d’Edwards

Trisomia del cromosoma 18 (tenen 47 cromosomes).

Retard mental i de desenvolupament. Orelles deformades. Hipertensió.

Síndrome de Turner

Un sol cromosoma X (44 autosomes  X).

Dones amb retard en el creixement, infantilisme sexual i esterilitat.

Síndrome de la triple X

Tres cromosomes X (44 autosomes  XXX).

Dones amb mames poc desenvolupades i genitals externs infantils.

Síndrome de Klinefelter

Tres heterocromosomes (44 autosomes  XXY).

Homes amb genitals petits. Absència d’espermatogènesi. Retard mental.

Síndrome de la doble Y

Tres heterocromosomes (44 autosomes  XYY).

Homes amb retard mental, alts i violents.

Aneuploïdies.

Les causes de les aneuploïdies són: Drosophila virilis (n  6)

Drosophila Drosophila Drosophila pseudobscura willistoni melanogaster (n  5) (n  3) (n  4)

Origen dels cromosomes de Drosophila. Totes les espècies del gènere Drosophila tenen un nombre de cromosomes molt baix. L’origen de les dotacions cromosòmiques pot ser degut a la fusió de cromosomes a partir d’un patró original, la dotació cromosòmica de Drosophila virilis. 216

a) Fusió cèntrica. És la unió de dos cromosomes no homòlegs, amb pèrdua del centròmer d’un dels dos. Un exemple de fusió és l’origen de les dotacions genètiques de diverses espècies de Drosophila i probablement l’origen del cromosoma 2 humà a partir de dos cromosomes de primat: en humans n és 23, mentre que en ximpanzés i orangutans n és 24. b) Fissió cèntrica. És l’escissió d’un cromosoma en dos. Dóna lloc a un nou centròmer. c) Segregació errònia durant la meiosi. És la distribució errònia de les cromàtides homòlogues entre les cèl·lules filles durant la meiosi. En una cèl·lula van les dues cromàtides i l’altra es queda sense cap. • Euploïdia. És l’alteració en el nombre normal de dotacions haploides (jocs de cromosomes) d’un individu. Inclou la monoploïdia i la poliploïdia. La monoploïdia o haploïdia és l’existència d’una sola dotació cromosòmica, és a dir, un sol exemplar de cada tipus de cromosoma. unitat 11

La poliploïdia és l’existència de més de dos jocs complets de cromosomes, és a dir, més de dos exemplars de cada tipus de cromosoma. Poden ser triploïdies, tetraploïdies, etcètera. Són freqüents en plantes i rares en els animals. Les formes poliploides tenen fulles i fruits més grans, per la qual cosa resulten interessants per a la producció agrícola. La poliploïdia pot ser induïda artificialment amb substàncies com ara la colquicina, que impedeix la formació del fus metafàsic, per la qual cosa, com que els cromosomes no se separen, apareixen gàmetes 2n. La unió de dos d’aquests gàmetes origina individus 4n. El 47 % de les angiospermes que consumim són poliploides. Se’n poden distingir les autopoliploïdies, quan tots els jocs procedeixen d’una mateixa espècie, i les al·lopoliploïdies, si procedeixen de la hibridació de dues espècies diferents. Un exemple d’al·lopoliploïdia és l’encreuament de la ravenera (Raphanus sativa), que té 18 cromosomes (2n  18), i de la col (Brassica oleracea) que també té 18 cromosomes (2n  18). Aquest encreuament es va fer amb la finalitat d’obtenir una planta que combinés l’arrel comestible de la ravenera amb les fulles comestibles de la col. Primer es va obtenir un híbrid estèril, ja que no hi havia cromosomes homòlegs i no formaven tètrades durant la meiosi. Després es va provocar que fos tetraploide, és a dir, que tingués 36 cromosomes (2n  36). Així ja es va aconseguir que es pogués reproduir amb ella mateixa. Com que no es podia reproduir amb els seus progenitors, ja era una nova espècie. Es va denominar Raphanobrassica. Contràriament al que s’esperava, no va tenir cap interès agrícola ja que les fulles eren com les de la ravenera i l’arrel, com la de la col.

Moltes de les fruites que es comercialitzen normalment (peres, pomes, cireres...) són varietats autopoliploides, tractades perquè tinguin una mida més gran.

Activitats 12 Per què moltes de les varietats que es fan servir en l’agricultura són autopoliploides? Per què els triploides són estèrils i els tetraploides generalment són fèrtils? 13 Per què la síndrome de Down apareix amb una certa recurrència en la genealogia d’algunes famílies i, en canvi, en altres famílies apareix espontàniament sense recurrència? 14 Explica quin tipus de mutació genòmica devia produir la segregació de les dues cromàtides homòlogues cap a un mateix costat, tant en la meiosi que va originar l’òvul com en la que va originar l’espermatozoide, que després es van unir per donar lloc a l’individu. 15 Quin tipus de mutació gènica deurà originar un espermatozoide anormal (2n) que s’uneixi a un òvul normal si el zigot es desenvolupa?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

217

5 Els agents mutàgens Els agents mutàgens són els factors que augmenten sensiblement la freqüència normal de mutació. Poden ser agents físics, com les radiacions, o químics, com algunes substàncies químiques.

Manipulació de materials radioactius. Cal prendre moltes precaucions a l’hora de manipular materials que emetin radiacions ionitzants i exposar-s’hi al mínim possible.

• Les radiacions mutàgenes. Se’n poden distingir dos tipus, segons els efectes que causen: les radiacions no ionitzants i les radiacions ionitzants. a) Les radiacions no ionitzants. Són els rajos ultraviolats (UV). Són radiacions electromagnètiques, com la llum, però de menys longitud d’ona (entre 160 i 400 nm) i, per això, més energètiques. El DNA les absorbeix molt. Provoquen l’ascensió d’alguns electrons a graus de més energia, i això afavoreix la formació d’enllaços covalents entre dues pirimidines contigües (per exemple, els dímers de timina) i l’aparició de formes tautomèriques, que donen lloc a mutacions gèniques del tipus transicions. b) Les radiacions ionitzants. Són radiacions electromagnètiques de longitud d’ona inferior als UV, com els rajos X i els rajos γ (gamma), i les emissions de partícules com les radiacions α (alfa), que són àtoms d’heli, les radiacions β (beta), que són electrons, i les radiacions de neutrons, pròpies de les explosions nuclears. Són radiacions molt més energètiques que els UV. Provoquen la pèrdua d’electrons en alguns àtoms del DNA, que queden en forma d’ions molt reactius. També poden provocar formes tautomèriques, arribar a trencar els anells de les bases nitrogenades, i fins i tot trencar els enllaços fosfodièster amb la ruptura consegüent del DNA i, per tant, dels cromosomes. Per tot això cal reduir al mínim les proves radiològiques i, si poden afectar un embrió, com passa amb les dones embarassades, substituir-les per ecografies. • Les substàncies químiques mutàgenes. Són substàncies que reaccionen amb el DNA i provoquen bàsicament tres tipus d’alteracions: a) Les modificacions de les bases nitrogenades. Per exemple, l’àcid nitrós (HNO2) les desamina, la hidroxilamina els afegeix grups hidroxil, i l’etilmetansulfonat (EMS) i el gas mostassa els afegeixen grups alquil (metil, etil, etc.). b) La substitució d’una base per una altra d’anàloga. Per exemple, en lloc d’una timina es pot situar el 5-bromuracil, o en lloc d’una adenina, la 2-aminopurina. Les modificacions i les substitucions de bases nitrogenades impliquen aparellaments amb bases diferents de les complementàries. c) La intercalació de molècules. Es tracta de molècules similars a un parell de bases enllaçades, com ara l’acridina o la proflavina, capaces d’introduir-se entre els parells de bases amuntegades del DNA. Després, quan es duplica, poden aparèixer insercions o delecions d’un sol parell de bases, amb el corriment consegüent en l’ordre de lectura. L’eficàcia mutagènica d’aquests productes varia segons les diferents espècies. Uns altres factors mutàgens són els genètics. Hi ha gens mutadors que tendeixen a augmentar la freqüència de mutació d’altres gens. Activitats 16 Per què per observar ruptures d’ossos es fan radiografies però per observar els embrions humans s’utilitza l’ecografia? Per què es recomana a les dones gestants que no fumin ni prenguin begudes alcohòliques? 17 El benzopirè és una substància mutàgena que es forma en cremar de manera incompleta la matèria orgànica (carbonitzar). Com podem evitar-lo?

Acridines. 218

unitat 11

6 L’evolució del concepte de gen El 1909, Johannsen va donar el nom de gens als factors que controlen l’herència dels caràcters. El 1916 Morgan i la seva escola van enunciar la teoria cromosòmica de l’herència, segons la qual els gens es consideraven partícules materials situades linealment al llarg dels cromosomes. Abans del 1940 es considerava que el gen era la unitat de funció, és a dir, la unitat més petita capaç de controlar un caràcter –un atribut fenotípic, com ara el color dels ulls o l’estructura de l’hemoglobina–. El 1941, els experiments de Beadle i Tatum van demostrar que la manera com un gen controla un caràcter és per mitjà de la producció d’un enzim que actua en una ruta metabòlica determinada, i així possibilita la síntesi d’una substància determinada. És la teoria anomenada un gen - un enzim. Igualment, es considerava que el gen era la unitat d’estructura i, per tant, que el gen era la part més petita susceptible d’intercanviar-se en una recombinació, i la part més petita capaç de mutar. Durant la recombinació meiòtica hi podia haver intercanvi de gens entre dos cromosomes homòlegs, però no de fragments de gens, ja que eren com granadures indivisibles. Durant els anys cinquanta, els treballs de Benzer amb el virus bacteriòfag T4, que afectava els cultius del bacteri Escherichia coli, van demostrar que el gen sí que podia ser considerat la unitat de funció, però no la unitat d’estructura de la informació genètica. Es va descobrir que els gens eren divisibles en unitats més petites. Això va ajudar molt a establir un pont entre la genètica mendeliana i la genètica molecular, és a dir, a acceptar que el gen era una seqüència de nucleòtids, tal com proposava el model de l’estructura del DNA, que van presentar Watson i Crick el 1953. Benzer va proposar els termes de recó i mutó per designar la part més petita del gen capaç de recombinar-se i de mutar-se respectivament. Actualment aquests termes ja no s’utilitzen perquè se sap que corresponen als nucleòtids. És a dir, la unitat d’estructura és el nucleòtid. També va proposar el terme cistró per designar la unitat de funció, que avui tampoc no s’utilitza, ja que es considera sinònim de gen. Així doncs, la unitat de funció és el gen. Actualment es considera que un gen és un segment de DNA, o d’RNA en determinats virus, amb informació per a una cadena polipeptídica o per a un RNA. Així s’engloben també els gens que informen sobre proteïnes que no són enzims, i els gens que informen sobre els RNA diferents de l’RNAm. Finalment, cal destacar que també ha canviat la idea de gen com un segment continu d’àcid nucleic, ja que els gens de les cèl·lules eucariotes normalment presenten exons (segments sense informació) separats entre si per introns (segments sense informació). Una curiositat és que en alguns virus s’ha descobert que una mateixa seqüència de nucleòtids pot contenir dues informacions, és a dir, dos gens, segons si es comença a llegir pel primer nucleòtid o pel segon. Són els anomenats gens sobreposats.

Virus bacteriòfag T4. Se’n poden distingir el cap, la cua i les fibres caudals.

Sembra de bacteris en un medi de cultiu contingut en una càpsula de Petri.

Activitats 18 Diferencia aquests conceptes: recó, mutó i cistró. 19 Ordena segons la mida (nombre de nucleòtids): recó, mutó i cistró. 20 Quins gens no codifiquen proteïnes? 21 Què són els gens sobreposats?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

219

7 El DNA dels organismes eucariotes En els procariotes, el DNA conté una còpia de cada gen i aquest està tot seguit, és a dir, sense introns. A més, gairebé no hi ha DNA que no es transcriu (DNA silenciós). En canvi, en els eucariotes la situació és totalment a l’inrevés. Malgrat que tenen mil vegades més DNA que els procariotes, tan sols el 10 % del DNA dels eucariotes són gens. A més, els introns poden augmentar fins i tot deu vegades la seqüència codificant. Hi ha espècies properes que tenen sis vegades més DNA que d’altres, i hi ha seqüències de nucleòtids que es troben moltes vegades repetides. Per tot això, es distingeixen tres tipus de DNA: • DNA altament repetitiu o DNA satèl·lit. Constitueix el 10 % del total, encara que pot arribar al 50 %. Està constituït per seqüències curtes de cinc a deu parells de bases (pb) que es disposen en tàndem (l’una rere l’altra), i que arriben a repetir-se de 106 a 108 vegades. Se situa als extrems (telòmers) i a les constriccions (centròmers) dels cromosomes, que són zones genèticament inactives, és a dir, que no es transcriuen mai. Pot ser que la seva única funció sigui mecànica, com ara l’aparellament i la segregació dels cromosomes durant la mitosi i la meiosi. • DNA moderadament repetitiu. Constitueix el 20 % del total. Està constituït per diverses seqüències que oscil·len entre els 300 pb i els 5.600 pb. El nombre de còpies varia entre 10 i més de 1.000 vegades, i en algun cas pot arribar a més de 100.000. No ocupa uns quants punts concrets al cromosoma, sinó que està intercalat en tot el genoma. Comprèn els gens que codifiquen histones, RNAr, RNAt i seqüències de funció desconeguda.

El DNA es troba al nucli de la cèl·lula eucariota.

• DNA no repetitiu o simple. Constitueix el 70 % del total. Conté la majoria de la informació que passa a RNAm i dóna lloc a proteïnes i al DNA que està intercalat i que no es transcriu, el DNA espaiador. Entre els gens podem distingir els gens de còpia única al genoma i els gens duplicats, és a dir, els que poden estar representats per unes quantes còpies. Aquestes no sempre són iguals, sinó que presenten petites variacions i donen lloc a proteïnes més o menys aptes segons l’ambient, el teixit que es consideri, etcètera. De vegades són inservibles i no es transcriuen mai: són els anomenats pseudogens. S’ha suggerit que l’origen de moltes seqüències altament repetides són virus o elements transposables, que són segments capaços de traslladar-se d’un lloc a un altre (vegeu l’apartat següent), que s’han anat multiplicant dins del DNA de la cèl·lula hoste, gràcies a l’alta capacitat de difusió que tenen i al mínim perjudici que produeixen, i així eviten l’efecte de la selecció contra ells. Per això s’anomenen DNA egoista. 220

unitat 11

Mentre que en els organismes procariotes, a partir d’una mateixa seqüència de DNA, es poden fabricar un o dos productes diferents si varia el punt d’inici de lectura (gens sobreposats), en els eucariotes es dóna el cas contrari, és a dir, de seqüències diferents se sintetitza un sol producte. Un exemple en són els anticossos.

A FONS Els anticossos Cadena pesant

Extrems amino terminals

Extrems amino terminals

Centre d’unió de l’antigen

Centre d’unió de l’antigen

Cadena lleugera

Extrems carboxil terminals

Durant molt de temps va ser un enigma la manera com la cèl·lula podia fabricar anticossos específics contra cadascun dels antígens, molts dels quals són molècules sintetitzades recentment per l’ésser humà. Es va observar que en els anticossos tant les cadenes lleugeres com les pesants tenien una regió constant i una regió variable, que era diferent segons l’antigen amb el qual interactuaven. També es va observar que, en les cèl·lules mare dels limfòcits, els gens que codificaven la zona variable estaven repartits per tot el genoma, mentre que en els limfòcits es trobaven propers entre si, i a prop dels gens responsables de la zona constant. Actualment se sap que aquests gens es poden traslladar dins del genoma de forma diferent i es poden enllaçar entre si de maneres molt diverses. Es considera que el DNA de la regió variable se sintetitza a partir d’uns 400 gens variables (V), d’uns 12 gens de diversificació (D) i d’uns 4 gens d’unió (J). Les diferents combinacions que s’hi poden formar donen més de 20.000 regions variables. Aquestes poden alterar-se i unir-se d’una altra manera als DNA de les regions constants, i així donar milions d’anticossos.

Activitats 22 Quina deu ser la raó per la qual els gens que codifiquen l’RNAt, l’RNAr i les histones es troben replicats fins a més de cent vegades, disposats els uns rere els altres? 23 Quina és la possible funció de les seqüències curtes que es troben repetides milers de vegades, sobretot als centròmers i als telòmers? 24 Quina és la possible explicació evolutiva que, a les cèl·lules eucariotes, el DNA que codifica proteïnes no superi l’1 % del total, és a dir, que hi hagi una enorme quantitat de DNA extra (DNA repetitiu, introns, pseudogens, etc.)? 25 Quins avantatges presenten els gens duplicats sobre els gens de còpia única? 26 Quins avantatges té que no totes les rèpliques dels gens duplicats siguin iguals, sinó que formin famílies una mica diferents? 27 Quina possible explicació es pot donar a l’existència de pseudogens (gens una mica diferents que no es transcriuen ni es tradueixen mai)?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

221

8 L’enginyeria genètica L’enginyeria genètica és la tècnica que permet la modificació del genoma d’un individu. El genoma es defineix com el conjunt haploide de gens d’un organisme. Haploide vol dir que només es considera un gen de cada tipus. La modificació del genoma es pot fer per addició, per eliminació o per alteració de gens. El DNA que s’obté en intercalar un segment de DNA estrany en un DNA receptor es diu DNA recombinant. Això és possible gràcies als enzims de restricció, propis dels bacteris que destrueixen els DNA externs que entren en el bacteri. Se’n coneix més d’un centenar de tipus. Es va descobrir que aquests enzims es podien utilitzar per tallar el DNA en punts concrets i així separar-ne els segments que interessen. Gràcies a aquests enzims, és possible aïllar un gen determinat, el DNA passatger, i, per mitjà d’un vector adequat, introduir-lo en una cèl·lula. El vector pot ser un plasmidi bacterià o un virus. Quan les cèl·lules que han rebut un gen es reprodueixen, van augmentant el nombre de còpies d’aquest gen; aquest procés d’amplificació s’anomena clonació. L’enginyeria genètica aplicada a la curació de malalties i a la millora de plantes i d’animals d’interès alimentari rep el nom de nova biotecnologia. La biotecnologia es defineix com la manipulació dels organismes amb l’objectiu d’obtenir productes útils. Exemples d’aplicacions de la biotecnologia clàssica són la utilització de bacteris i fongs per obtenir aliments fermentats com el vi, el pa i molts formatges; i l’obtenció per encreuaments de noves varietats vegetals i animals. Des de fa pocs anys s’han establert dues noves branques de la biologia relacionades amb la genètica molecular, que són la genòmica (l’estudi del conjunt total de gens i les seves interaccions), i la proteòmica (l’estudi dels conjunts complets de proteïnes –proteomes– codificats pels genomes).

8.1. Formes d’introducció de gens en cèl·lules Els principals mecanismes són els vectors de clonació (plasmidis i virus) i els mecanismes no biològics. • Els plasmidis. Un plasmidi bacterià és un petit DNA circular de doble hèlix del qual hi pot haver uns quants exemplars (de 20 a 50) en un mateix bacteri. Són com minicromosomes que es dupliquen autònomament. Si gràcies a la lisi dels bacteris queden lliures al medi, poden penetrar dins d’altres bacteris, procés anomenat transformació, especialment si les membranes es fan permeables al DNA per l’addició de clorur càlcic.

Gen de resistència a un antibiòtic Plasmidi Permeabilització amb calci de les membranes bacterianes

Bacteri transformat Ha incorporat el plasmidi

El plasmidi heretat s’ha replicat

Bacteri no transformat No ha incorporat cap plasmidi No es pot reproduir en un medi amb antibiòtic Cromosoma bacterià

El plasmidi no s’ha replicat

Aquest bacteri no es podrà dividir en un medi amb antibiòtic

Transformació en bacteris. 222

unitat 11

DNA víric

1

B

Replicació del DNA víric

Plàntula Cèl·lula de planta transgènica

Planta de tabac transgènica

Utilització del plasmidi Ti com a vector de gens en plantes.

5

A

c

Fragmentació del DNA bacterià

C

Cèl·lules cultivades

Alliberament de virions madurs després de la lisi del bacteri

C

2

5

4 DNA bacterià

A

Cèl·lula transformada

5

• Els virus. També s’utilitzen com a vectors. Quan un virus infecta un bacteri i s’inicia el cicle lític, es destrueix el DNA cel·lular, es replica el DNA víric i se sintetitzen les proteïnes de la càpsida. Posteriorment, els DNA vírics s’encapsulen i es formen nous virus. De vegades, per error, s’encapsulen segments del DNA bacterià. Aquests virus defectius poden infectar un segon bacteri, gràcies a les propietats de la càpsida, i introduir el segment del DNA del bacteri hoste anterior, procés que s’anomena transducció. En el DNA víric també es pot intercalar un DNA passatger per mitjà d’un enzim de restricció. Aquest DNA recombinant, dins d’una càpsida vírica, pot introduir-se i replicar-se en molts bacteris. Per utilitzar aquests virus com a vectors, se n’han d’eliminar els gens responsables de la lisi de la cèl·lula hoste, així, a mesura que aquesta es divideix, es multiplica el nombre de còpies del gen transferit.

Cèl·lula de planta de tabac

5

Els plasmidis bacterians no serveixen per introduir gens en cèl·lules eucariotes animals; en canvi, s’ha descobert que el bacteri del terra Agrobacterium tumefaciens, que provoca tumors a les plantes, presenta un plasmidi (anomenat Ti), té un sector, anomenat T-DNA –que conté els gens que provoquen el tumor–, sí que penetra en les cèl·lules vegetals i s’insereix en un dels cromosomes. Això ha permès utilitzar-lo com a vector de gens, que s’han intercalat prèviament a dins seu. Igualment s’ha descobert que els llevats, que són cèl·lules eucariotes, presenten plasmidis que s’integren als cromosomes, de manera que es poden utilitzar com a vectors de gens, fins i tot molt grans, com són els dels mamífers. A més, com que són cèl·lules eucariotes, presenten processos d’addició de glúcids i de lípids a les proteïnes, la qual cosa moltes vegades és necessària perquè aquestes siguin funcionals.

Plasmidi Ti amb un gen interessant intercalat en el sector T

5

Els bacteris receptors adquireixen així les propietats dels gens que hi ha al plasmidi. Per saber quins són els bacteris que han sofert aquesta transformació, als plasmidis que s’utilitzen com a vectors d’un DNA passatger s’hi afegeixen gens que codifiquen proteïnes degradadores d’antibiòtics. Això permet seleccionar els bacteris que han integrat el plasmidi, ja que són els únics que sobreviuen en un medi amb antibiòtics.

Un virus que conté un fragment del DNA de l’hoste anterior infecta un segon bacteri

A a

b

B

Proteïnes de la càpsida

3

6

A

Algun fragment de DNA bacterià s’empaqueta en una càpsida en lloc de DNA víric

c b

A

a

El DNA infectant es recombina amb DNA bacterià. Així es produeix la transducció de gens d’un bacteri a un altre

Transducció. Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

223

• Els mecanismes no biològics. Els principals són l’electroporació, la microinjecció i el tret de microbales. a) Electroporació. Consisteix a sotmetre la cèl·lula a un alt voltatge durant un període de temps molt breu. Això origina uns orificis temporals en la membrana plasmàtica que poden servir de punts d’entrada de DNA extern. b) Microinjecció. Consisteix en la injecció directa de DNA a la cèl·lula per mitjà d’un capil·lar de només 1,5 μ. c) Tret de microbales. S’utilitza una pistola que dispara microbales de metall recobertes de DNA.

8.2. Inserció de gens Per fer possible la inserció del DNA passatger al DNA vector, cal tallar-los tots dos amb el mateix enzim de restricció. Aquest talla en un punt determinat situat en unes seqüències d’entre 4 i 10 parells de bases que presenten simetria segons la complementarietat de les bases, las anomenades seqüències palindròmiques. Per exemple, la seqüència CTTAAC que talla l’enzim de restricció Eco RI trobada al bacteri Escherichia coli. Aquestes seqüències són, per tant, iguals en els dos filaments. Per llegir-les cal tenir en compte el sentit 5’ →3’ de la cadena. La majoria de les endonucleases de restricció no tallen la seqüència per la meitat i, per tant, deixen un oligonucleòtid curt a cada banda del tall, de manera que l’un és complementari de l’altre. Són els anomenats segments cohesius. Aquests faciliten la formació de DNA recombinants a partir de dos DNA tallats pel mateix enzim de restricció. Per acabar d’unir els dos DNA cal la intervenció final d’una DNA-ligasa. Com que en els procariotes no hi ha procés de maduració de l’RNAm, si es vol intercalar un gen eucariòtic en un bacteri, no es pot introduir un segment de DNA amb introns i exons, sinó que s’ha d’utilitzar un enzim d’origen víric.

Plasmidi SC 101 T

T

A

T

A

G

T

DNA estrany

C

G

C

A

Lloc de tall

A

Tall amb endonucleasa Eco RI

Origen de replicació T T A A

DNA del virus SV40

A A T T

Llocs de tall

1

2 3 Tall amb endonucleasa Eco RI AATT

AATT TTAA

TTAA

AATT TTAA

AA T T TT A AT

Reassociació Enzim de restricció Eco RI G

T

TT

G

DNA lineal

AA T T TT A A

Plasmidi quimera A AT

T TT

Ruptura del DNA del virus SV40 per l’enzim de restricció Eco RI, que origina un DNA lineal amb segments cohesius. 224

A A

Lligasa amb DNA C T TA A

A AT T C

A AT

A A

Formació d’un DNA recombinant a partir d’un plasmidi i d’un DNA lineal estrany tallats pel mateix enzim de restricció. unitat 11

Aquest enzim s’anomena transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, per produir DNA a partir d’un filament de RNAm madur (molècula en la qual ja no hi ha introns). Posteriorment, el DNA format s’ha de duplicar perquè es formi DNA de doble hèlix, l’anomenat DNA complementari (DNAc), i finalment introduir-lo en un vector (un virus o un plasmidi) perquè el transporti a l’interior del bacteri. L’enzim retrotranscriptasa, que és imprescindible per fer aquest procés, fou trobat en els virus que, a partir de l’RNA, sintetitzen DNA quan entren a la cèl·lula, els anomenats virus d’RNA. Els gens que s’han d’introduir, l’anomenat DNA passatger, poden provenir dels elements següents: • DNA d’una cèl·lula que ha estat fragmentat amb enzims de restricció. • RNAm aïllat, que s’utilitza com a motlle per fabricar un DNA de doble filament per mitjà de l’enzim transcriptasa inversa d’origen viral i la DNA-polimerasa. • DNA sintetitzat artificialment segons l’ordre deduït de la seqüència d’aminoàcids de la proteïna que es vol fabricar. Això permet introduir mutacions i elaborar nous enzims (enzims de disseny). S’està treballant per fer enzims que siguin capaços de catabolitzar l’insecticida DDT o el petroli, i d’aquesta manera, amb enginyeria genètica, obtenir bacteris que permetin la recuperació d’ambients contaminats per aquestes substàncies. Els dos darrers processos permeten que un bacteri, organisme en el qual no hi ha maduració de l’RNAm, pugui fabricar proteïnes de cèl·lules eucariotes, els gens de les quals solen presentar introns i exons i que, per tant, sí que presenten maduració del preRNAm. Cua de poli-A 3’ AAAA

RNAm 5’

DNA plasmídic

Transcriptasa inversa viral

d’oligodT AAAA TTTT 5’

5’ Llaç en forquilla

TTTT encebador

3’ DNAc

NaOH que degrada l’RNAm TTTT 5’

Ruptura 5’

ADNc

Nucleasa Eco RI

AATT

Nucleasa S1

3’

3’

DNA-polimerasa I 3’ 5’

TTAA

5’

Tractament amb exonucleasa

DNAc de doble 5’ cadena 3’ 5’ 3’

Transferasa terminal més dATP 3’

AAA

5’

3’

3’

5’

AAAA

5’ TTTTT

3’ 5’ Tractament amb exonucleasa 3’ 5’ Transferasa terminal més dTTP TTTT 3’ 5’

Escalfament i refredament lents AAA TTTT

AAAA

TTTT

AAAAA

TTTTT

DNA plasmídic

AAAA

AAAA

Polimerasa I de DNA

TTTTT

DNA de Drosophila

Ligasa de DNA

TTTT

AAAAA TTTTT

Plasmidi quimera (DNA recombinant)

Síntesi d’un DNA complementari (DNAc) i inserció d’aquest en un plasmidi. Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

225

8.3. La reacció en cadena de la polimerasa (PCR) La clonació és la millor manera d’aconseguir moltes còpies d’un determinat segment de DNA, però si la quantitat inicial és molt petita o és impura, la clonació no es pot fer. Per amplificar la quantitat de DNA inicial s’usa la tècnica de la PCR (polymerase chain reaction) inventada per K. Mullis el 1985. Seqüència de DNA que es vol amplificar 5’ 3’ 3’ 5’ Primer cicle

DNA encebador DNA encebador Segon cicle

Aquesta tècnica s’inicia disposant en un medi adequat el DNA que conté la seqüència diana, un DNA-polimerasa especial que és resistent a la calor, els quatre tipus de desoxiribonucleòtids trifosfats i dos segments de DNA monocatenari complementaris dels extrems del DNA diana que actuen com a encebadors. El DNA-polimerasa termoresistent necessari que no s’altera encara que s’arribi als 95 ºC es va descobrir en el bacteri Thermus aquaticus, propi de les aigües termals. A continuació s’escalfa tot a uns 80 ºC per aconseguir la separació de les dues cadenes del DNA inicial. Aleshores, a cadascuna s’hi associa un dels dos petits segments encebadors i el DNA-polimerasa ja pot utilitzar el conjunt com a motlle per sintetitzar la cadena complementària i fer un DNA de doble hèlix. Tot aquest procés s’anomena el primer cicle. A continuació aquest procés es va repetint i en el segon cicle s’obtenen quatre dobles hèlixs de DNA, i en el tercer cicle se n’obtenen vuit. Totes les cadenes porten la seqüència diana però cada vegada la proporció de cadenes curtes que la contenen és més elevada, és a dir, no hi ha gaire DNA accessori.

Tercer cicle

Al cap de 20 cicles s’obtenen un milió de còpies, la majoria de les quals són cadenes curtes i, en poques hores, milers de milions de còpies. Actualment, aquest procés es fa automàticament en una màquina petita i assequible, per la qual cosa és molt utilitzada.

Tècnica de reacció en cadena de la polimerasa (PCR).

Les principals aplicacions d’aquesta tècnica són les següents: per obtenir prou còpies de gens abans d’iniciar una clonació; en medicina forense, per tractar d’identificar persones a partir de petites mostres de sang, semen, cabell, pell, etc.; en estudis evolutius i taxonòmics, per deduir el grau de parentiu entre les espècies, i en estudis d’història, per deduir la proximitat entre les poblacions humanes i la presència de malalties genètiques.

Activitats 28 Per què en enginyeria genètica és un avantatge utilitzar com a vector de gens un plasmidi que tingui informació sobre resistència a determinats antibiòtics? 29 Per què s’utilitza la transcriptasa inversa vírica per introduir gens de cèl·lules eucariotes als bacteris? 30 Els bacteris són capaços d’incorporar, al seu DNA, segments de DNA que hi hagi al medi extern, amb la qual cosa el bacteri adquireix els caràcters informats per aquest DNA, procés anomenat transformació bacteriana. Quins altres dos processos hi ha de parasexualitat en els bacteris, és a dir, d’incorporació de DNA extern? Investigadora treballant en un procés de clonació. 226

31 Què s’hauria de fer per augmentar el nombre de còpies de DNA (amplificar) si no s’hagués descobert un DNA-polimerasa termoresistent?

unitat 11

9 L’enginyeria genètica i la teràpia

de malalties humanes Es coneixen unes 3.000 malalties genètiques en els humans. El 2 % dels nadons tenen una d’aquestes malalties. En la majoria dels casos no se n’han identificat els gens responsables; tan sols se’n coneixen uns quants. En molt poques d’aquestes malalties es disposa d’un mecanisme per incorporar el gen correcte a les cèl·lules de l’individu afectat. Davant d’aquestes dificultats, molt sovint s’opta per transferir el gen humà normal a un bacteri, obtenir substància a partir d’aquest i després injectar-la. Quan es disposa del mecanisme per fer arribar el gen correcte a les cèl·lules de l’ésser humà, si això es fa en les cèl·lules somàtiques –l’anomenada teràpia de la cèl·lula somàtica–, es produeix un canvi en tan sols determinades cèl·lules i no afecta la resta ni les cèl·lules germinals, per la qual cosa el canvi no és hereditari. Això és comparable al fet de rebre un trasplantament. Si el gen correcte es fes arribar a un òvul, a un espermatozoide o a un zigot, s’anomenaria teràpia de la cèl·lula germinal. Totes les cèl·lules de l’individu sofririen la modificació i, per tant, aquesta alteració, la presentarien els descendents i totes les possibles generacions futures.

9.1. Substàncies humanes produïdes per bacteris

Els plasmidis d’Escherichia coli s’utilitzen sovint en enginyeria genètica com a vector de transferència.

Els primers gens humans introduïts en bacteris per tal d’obtenir substàncies que són necessàries per a la vida de moltes persones han estat el gen de la insulina, el gen de l’hormona del creixement, el gen de l’interferó i el gen del factor VIII de la coagulació. • La insulina és la molècula encarregada de regular el nivell de glucosa a la sang. Té dues cadenes d’aminoàcids: el pèptid A (21 aminoàcids) i el pèptid B (30 aminoàcids). Un cop aïllades les dues seqüències de nucleòtids, es van introduir per separat, amb plasmidis, a dues estirps diferents de bacteris, darrere de l’operó lac. Aquests van proporcionar en molt poc temps molts bacteris portadors d’aquests gens. En afegir lactosa al medi, aquests bacteris comencen a sintetitzar pèptids A o B, respectivament. Després es retiren, es purifiquen i s’activen els grups –SH perquè els dos pèptids s’uneixin i es formi la insulina humana madura. Com que el metabolisme bacterià és molt elevat, aquesta via d’obtenció resulta molt rendible. A més, es tracta d’insulina humana en lloc d’insulina porcina, que és la que hi havia abans al mercat per a les persones malaltes de diabetis. • L’hormona del creixement és un únic polipèptid de 191 aminoàcids. El seu gen també s’ha introduït en bacteris gràcies a un plasmidi en el lloc regulat pel promotor de l’operó lac. Aquesta hormona s’utilitza per tractar alguns casos de nanisme. • L’interferó (IFN) és una proteïna de pes molecular entre 16.000 i 20.000, que conté una cadena glicosídica. Es va aïllar a partir de cèl·lules animals que la produïen com a resposta a infeccions víriques. S’ha observat que aquesta substància limita o fins i tot anul·la els efectes de la infecció. L’aplicació de l’interferó ha estat positiva en malalties víriques, com ara refredats, hepatitis, herpes, ràbia, etc. En aplicacions prolongades disminueix els efectes del càncer. S’han observat clares regressions de les metàstasis durant el temps en què s’aplica (vegeu el concepte de càncer en aquesta mateixa unitat a l’apartat 11, El càncer: una malaltia genètica). Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

227

• El factor VIII de la coagulació. L’hemofília és una malaltia que consisteix en la no-coagulació de la sang a causa de l’absència d’alguna de les proteïnes que intervenen en el procés. El 80 % de les vegades és deguda a l’absència del factor VIII. A partir de la introducció en bacteris del gen humà que el codifica, s’ha obtingut aquest factor de manera més rendible que a partir de la sang de donants, i sense el perill d’introduir virus (de l’hepatitis B, de la sida, etcètera), com, desgraciadament, ha succeït en algunes ocasions.

9.2. Introducció de gens en cèl·lules humanes Una altra de les vies seguides en la teràpia gènica és la introducció del gen correcte a les cèl·lules humanes. Per fer-ho s’utilitzen retrovirus (virus de RNA). S’han classificat unes 3.000 malalties degudes a la deficiència o l’alteració d’un gen. D’aquestes malalties, les primeres sobre les quals s’ha treballat són les següents: • La mancança de l’enzim adenosina-desaminasa (ADA). Aquesta malaltia implica un error en els limfòcits, que posa fi a la vida del pacient. És coneguda amb el nom de malaltia dels «infants bombolla», perquè aquests infants han de viure completament aïllats del contacte amb gèrmens. Com que els manca un sistema immunitari correcte, qualsevol infecció té conseqüències fatals per a ells. Va ser la primera malaltia tractada amb teràpia gènica amb èxit. L’any 2000 es van tractar deu nens i nou van millorar. Desgraciadament, hi va haver dos casos de càncer lligats al retrovirus i el tractament s’ha suspès fins que se’n coneguin millor els mecanismes. Cèl·lula de la medul·la òssia del pacient

Càpsida retroviral

Inserció de l’RNA del gen correcte (que li falta al pacient) en el retrovirus

Teràpia gènica de la immunodeficiència combinada greu lligada a la manca de l’enzim ADA.

228

El retrovirus infecta les cèl·lules del pacient

Injecció de les cèl·lules modificades genèticament

Medul·la òssia

• La talassèmia. Amb aquest nom es coneix un grup de malalties relacionades amb la presència d’hemoglobines diferents de les normals. Això dóna lloc a una anèmia més o menys greu. És pròpia de les poblacions humanes de la conca mediterrània, i és deguda a alteracions en els gens de les hemoglobines. El tractament d’aquestes malalties, amb enginyeria genètica, consisteix a retirar cèl·lules (eritroblasts) de la medul·la òssia de la persona malalta, per mitjà d’una punció als ossos dels malucs, introduir-hi el gen correcte a través d’un retrovirus, i tornar-les al flux sanguini perquè s’implantin de nou a la medul·la òssia. S’ha observat que la selecció de les cèl·lules productores d’hemoglobina, entre tots els tipus de cèl·lules de la medul·la òssia, és una tasca força difícil, que els gens introduïts s’expressen molt poc i que les alteracions en la seva manifestació són perilloses. Cal conèixer amb més profunditat l’expressió gènica per millorar-ne els resultats. Les altres malalties que tenen més probabilitats de ser tractades en un futur proper amb enginyeria genètica són la mancança de purina-nucleòsid-fosforilasa (PNF), la citrul·linèmia, la fenilcetonúria i la hipercolesterolèmia familiar. unitat 11

9.3. Obtenció de vacunes recombinants Una tercera aplicació de l’enginyeria genètica a la medicina és la producció de vacunes sense risc de provocar la malaltia, ja que no s’inoculen bacteris o virus atenuats o morts sinó només una o dues proteïnes d’aquests, que es comporten com a antígens, és a dir, que desencadenen la síntesi d’anticossos (resposta immunològica). Així s’obté, per exemple, la vacuna contra l’hepatitis B. Per obtenir la proteïna antigènica del virus de l’hepatitis B, primer es talla el gen víric que la codifica, després s’insereix en un plasmidi bacterià i, posteriorment, el plasmidi híbrid resultant, és a dir un DNA recombinant, s’introdueix en el nucli d’una cèl·lula de llevat. Aquesta produeix la proteïna que serveix per vacunar les persones. A causa del procediment d’obtenció es diu que és una vacuna recombinant. Anteriorment, s’havia provat d’obtenir la vacuna introduint el DNA recombinant en un bacteri (Escherichia coli), però no va funcionar, ja que la proteïna necessita un procés posterior d’addició de glucosa per desencadenar la resposta immunològica, i aquesta reacció només es produeix en les cèl·lules eucariotes, com el llevat.

Extracció del DNA víric

Plasmidi híbrid

DNA Virus de l’hepatitis B Introducció en una cèl·lula de llevat

Plasmidi bacterià

Anticossos Vacunació. Producció d’anticossos. Nucli

Contagi d’hepatitis B, després de la vacunació. Els anticossos eliminen ràpidament els virus

Proteïnes víriques amb propietats d’antigen

Obtenció de la vacuna recombinant contra el virus de l’hepatitis B.

Activitats 32 Què s’ha de fer perquè els bacteris transgènics comencin a sintetitzar insulina? 33 Per què s’utilitzen virus per introduir gens en les cèl·lules humanes en comptes de plasmidis? 34 Per què s’ha deixat de tractar els nens malalts per la manca de l’enzim ADA? 35 Per què en la teràpia gènica no n’hi ha prou amb la inserció dels gens correctes en les cèl·lules adequades, com es va constatar en els intents de curar la talassèmia?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

229

10 L’enginyeria genètica i la producció

agrícola i animal Els organismes eucariòtics desenvolupats a partir d’una cèl·lula en la qual s’han introduït gens estranys s’anomenen organismes transgènics. La introducció de gens en cèl·lules eucariotes és més difícil que en bacteris. Això és degut al fet que és més complicat fer permeable la seva membrana, i al fet que en els vegetals, a més, cal dissoldre la paret cel·lulòsica. S’utilitzen tècniques com la microinjecció, les microbales de metall recobertes de DNA i, en les plantes, els plasmidis d’Agrobacterium.

10.1. L’enginyeria genètica aplicada a la producció agrícola Els assoliments més importants en plantes deguts a les tècniques d’enginyeria genètica han estat:

Plantes transgèniques d’arròs, alterades genèticament per ser resistents als atacs dels cucs.

• Varietats transgèniques del blat de moro que resisteixen les gelades gràcies a la incorporació d’un gen d’un peix molt resistent al fred; varietats que resisteixen a determinades plagues gràcies a haver-hi incorporat un gen de blat, i varietats que resisteixen a alguns herbicides perquè tenen un gen bacterià. • Varietats transgèniques del blat més nutritives i més resistents a les plagues i als herbicides gràcies a la incorporació de determinats gens d’insectes i de bacteris. • Una varietat de tomàquet que madura més lentament perquè el gen que en regula la maduració ha estat inserit en sentit invers i ha quedat anul·lat. Això permet disposar de més dies per transportar-lo però té l’inconvenient que el tomàquet no madura. • Plantes del tabac transgèniques que si es ruixen amb luciferina emeten llum, gràcies a la introducció en fragments de fulla, per mitjà d’un plasmidi, del gen de l’enzim luciferasa de les cuques de llum. Aquest enzim descompon la substància luciferina i desprèn llum. L’addició d’aquest gen a altres gens que es vol introduir permet reconèixer fàcilment si s’hi han incorporat o no. Un altre dels camps en els quals es treballa és la inserció dels gens «nif», que possibiliten l’aprofitament del nitrogen atmosfèric, N2, per part d’alguns bacteris i cianobacteris, al genoma de les plantes superiors, perquè aquestes no depenguin de la quantitat de nitrits i nitrats del sòl.

10.2. L’enginyeria genètica aplicada a la producció animal Les aplicacions més importants de les tècniques d’enginyeria genètica a la millora de la producció animal s’han dut a terme en peixos, ja que en la majoria d’espècies de peixos la fecundació és externa, la qual cosa permet la introducció de gens en el zigot abans que s’uneixin el nucli de l’espermatozoide i el de l’òvul. Això es fa amb microinjecció o amb un camp elèctric que en fa permeable la membrana plasmàtica. El gen es fixa al pronucli masculí. S’obté entre el 10 i el 70 % d’embrions transgènics, en comptes de l’1 % que se sol obtenir en mamífers. A partir d’aquestes tècniques s’han aconseguit els peixos següents: 230

unitat 11

• Carpes transgèniques que creixen més ràpidament, entre el 20 i el 46 % més, gràcies al gen de l’hormona del creixement de la truita irisada. Aquest s’ha unit a un promotor (regió de DNA que regula l’expressió del gen veí) sensible als metalls pesants. A causa d’això, l’expressió del gen s’estimula quan s’afegeix zinc a la dieta. • Salmons transgènics que resisteixen millor les baixes temperatures gràcies a la incorporació d’un gen d’una espècie de palaia que viu a l’Àrtic. Aquest gen produeix una proteïna que s’uneix als cristalls de gel que es formen a la sang i n’impedeix el creixement, per la qual cosa s’evita la congelació del medi intern. En mamífers també s’han fet diversos experiments encaminats a obtenir organismes amb més taxa de creixement. Així, en ratolins mancats de l’hormona del creixement, a causa d’una mutació en el gen corresponent, després de la introducció del gen de l’hormona del creixement de rata, amb microinjecció en zigots homozigòtics, s’han obtingut ratolins transgènics amb 800 vegades més hormona que els ratolins normals, fet que provoca individus que tenen el triple de pes i de mida. Aquest fenomen pot tenir un gran interès en la producció animal. En realitat, el nou gen no s’ha situat al lloc propi sinó en un altre; així doncs, cal dir que no s’ha corregit el defecte sinó que simplement s’ha emmascarat.

Els peixos alliberen òvuls Els ipeixos alliberen òvuls espermatozoides i espermatozoides medi aquós: alalmedi aquós: fecundació externa fecundació externa

Al cap d’unes hores

Al cap d’unes hores de ser ser fecundats, fecundats, de encara que queen enl’estadi l’estadi encara pronuclear, els pronuclear, reben elsembrions embrions reben una microinjecció una microinjecció d’ADN

50%

50%

Embrions Embrions viables no viables

Embrions viables Embrions viables

de DNA

Entre 10 i 70% PEIXOS PEIXOS NO NO TRANSGÈNICS

PEIXOS PEIXOSTRANSGÈNICS TRANSGÈNICS L’ADN estrany s’ha inserit El DNA estrany s’ha inserit a l’ADN originalal DNA original

Zn

DNA ADN

RNA ARN

El zinc zinc El (present a la dieta) (present a la dieta) fa reaccionar fa reaccionar el promotor el promotor

Promotor Promotor Gen Proteïna desitjada desitjada Proteïna

TRANSGÈNICS

ElL’ADN DNA estrany no ha ha aconseguit aconseguit no enganxar-se al enganxar-se al cromosoma original cromosoma original

Hormona del del creixement creixement

Hormona

Creixement Creixement més mésràpid ràpid

Proteïna Proteïna anticongelant anticongelant

Possibilitat Possibilitat de sobreviure de ambients sobreviure en en mésambients freds

més freds

Obtenció de peixos transgènics.

Ratolins transgènics. El ratolí de l’esquerra, alterat genèticament, procedeix d’un zigot que ha rebut, per mitjà d’injecció, el gen GDF 8, l’expressió del qual produeix un grau de creixement superior al que és normal. El ratolí de la dreta és normal.

Activitats 36 Per què és més fàcil aplicar l’enginyeria genètica als peixos que als mamífers? 37 Per què en enginyeria genètica és més fàcil treballar amb bacteris que amb plantes o amb animals? 38 Per què és important poder controlar en quin lloc s’insereix el gen? 39 Què és un organisme transgènic?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

231

11 El càncer: una malaltia genètica 11.1. El concepte de càncer i la seva relació amb el DNA El càncer és una malaltia que consisteix en la multiplicació accelerada de determinades cèl·lules alterades, que formen tumors, i que poden migrar a altres punts, a través del sistema circulatori i limfàtic, fet que s’anomena metàstasi. Si el tumor està molt localitzat i no creix indefinidament, rep el nom de tumor benigne. Generalment es pot extirpar amb facilitat. En canvi, si creix envaint i destruint els altres teixits de l’organisme, amb l’aprimament consegüent de l’individu, rep el nom de tumor maligne. La paraula càncer (‘cranc’) al·ludeix a un mal que ataca des de dins. Les cèl·lules canceroses es diferencien de les normals en el fet que es divideixen a gran velocitat, tenen proteïnes de membrana diferents (es poden detectar amb reaccions antigen-anticòs), presenten alteracions de forma i tenen tendència a envair els teixits propers. Es considera que l’alteració de les proteïnes de membrana receptores d’hormones mitògenes (inductores de mitosi) pot estar relacionada amb la seva divisió incessant. El pas de cèl·lula normal a cèl·lula cancerosa, anomenat transformació cancerosa o neoplàstica, està relacionat amb diferents factors ambientals que majoritàriament actuen alterant el DNA. Es considera l’existència de determinats gens, anomenats protooncògens, que, amb una petita alteració que produeixen els anomenats agents cancerígens, passen a oncògens, i aquests provoquen la transformació cancerosa. A més, hi ha altres gens, anomenats antioncògens o gens supressors, que inhibeixen la divisió cel·lular, i així s’estableix un equilibri entre els uns i els altres. En els humans s’han identificat més de cent oncogens i uns dotze antioncogens. En animals de laboratori s’ha comprovat que el DNA de cèl·lules canceroses és capaç de provocar la transformació de cèl·lules sanes en canceroses, cosa que confirma que l’alteració rau en el DNA. Cèl·lules canceroses al pulmó.

11.2. El càncer produït per virus Es coneixen diversos virus que produeixen càncer quan infecten les cèl·lules (transducció) de determinats animals de laboratori; són els anomenats virus oncogènics. Aquests virus tenen un o més gens capaços de produir la transformació cancerosa, que són els anomenats oncogens; per exemple, l’oncogèn src del virus oncogènic del sarcoma de Rous (un virus de RNA que afecta el pollastre). És el virus en què es va descobrir l’enzim retrotranscriptasa o transcriptasa inversa. En els humans s’ha confirmat la relació entre els virus de papil·loma humà, que produeixen berrugues als genitals, i el càncer d’úter. Es tracta d’una malaltia de transmissió sexual que no s’evita completament amb l’ús de preservatius i que, en la dona, pot generar el càncer d’úter. Actualment hi ha una vacuna contra aquest virus. Dos altres tipus de càncer en humans amb un clar component hereditari són el retinoblastoma i el xeroderma pigmentosum. Aquests exemples confirmen la relació del DNA amb el càncer i, per tant, la conveniència de tractaments basats en la teràpia gènica. 232

unitat 11

11.3. El càncer produït per substàncies químiques o per radiacions En els éssers humans, la majoria dels càncers, excepte alguns tipus de càncer de fetge i de leucèmies, no estan relacionats amb virus, sinó amb altres agents cancerígens, com ara les radiacions UV i X, les radiacions nuclears, el quitrà, els fumats, el pa torrat cremat, l’amiant, el clorur de vinil, les anilines, alguns conservants i edulcorants artificials, les begudes alcohòliques d’alta graduació i el tabac; aquest darrer, directament relacionat amb el càncer de pulmó. Els agents cancerígens generalment són mutàgens. Els efectes que causen no són immediats, sinó que necessiten repetició i altres factors complementaris perquè es desencadeni la transformació de cèl·lula normal a cèl·lula cancerígena. Es considera que, a més de l’agent mutagen, es necessita un procés promotor, per exemple, una recombinació que col·loqui l’oncogèn sota un promotor potent que impliqui la seva transcripció i, per això, l’aparició de molta proteïna alterada. Com que el sistema immunitari hauria de destruir les cèl·lules canceroses, es considera que també s’ha de produir una alteració d’aquest sistema, potser en els limfòcits T citotòxics, i en la síntesi d’interferó. Mortalitat (habitants) 60.000 50.000 40.000

nombre de cigarretes/dia 0 entre 0 i 9 entre 10 i 19 entre 20 i 39 més de 39

30.000 20.000 10.000 0 de 35 a 44

de 45 a 54

de 55 a 64

de 65 a 74

Edat (anys)

Probabilitat relativa (risc) de patir un càncer segons el nombre de cigarretes que es consumeixen al dia.

11.4. El càncer i la resposta immunològica Les cèl·lules canceroses tenen molècules especials a la membrana que poden actuar com a antígens; tanmateix, quan la resposta immune no és l’apropiada, el creixement tumoral prossegueix. La investigació s’ha centrat en determinats antígens de les cèl·lules canceroses que, quan s’inoculen a rates de laboratori, desencadenen la resposta immune dels limfòcits. L’objectiu és esperar que aquests anticossos, quan s’introdueixin al malalt, destrueixin les cèl·lules tumorals. Per augmentar-ne la producció, s’han fusionat els limfòcits que els produeixen amb cèl·lules tumorals. Els anticossos obtinguts així s’anomenen anticossos monoclonals. Actualment també es continua investigant per aconseguir la immunitat activa, és a dir, la resposta immunològica suficient de les cèl·lules humanes, amb l’ús de cèl·lules canceroses atenuades per irradiació o per modificació genètica (enginyeria genètica), és a dir, la vacuna davant d’un o diversos tipus de càncer. S’ha comprovat que hi ha substàncies anticancerígenes que actuen en els sistemes de reparació del DNA o evitant els processos promotors. Aquestes substàncies es troben a la fruita, a la verdura, a l’oli d’oliva i al peix blau, i constitueixen la millor prevenció contra el càncer. Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

233

Els hàbits saludables, com ara l’alimentació equilibrada i l’exercici moderat, ajuden a prevenir el càncer.

Per augmentar la producció d’anticossos contra els antígens de les cèl·lules canceroses, s’han fusionat els limfòcits que els produeixen amb cèl·lules d’un mieloma (un tumor del sistema immunitari). Aquestes cèl·lules híbrides (hibridomes) combinen la funció de produir anticossos amb la proliferació del tumor, i així s’obté una gran quantitat d’anticossos anomenats anticossos monoclonals. Han donat bons resultats en leucèmies i en limfomes, però no sobre tumors sòlids. Per augmentar-ne l’eficiència, s’han unit als anticossos monoclonals molècules radioactives, substàncies citotòxiques o substàncies antineoplàstiques, que actuen tan sols sobre les cèl·lules diana. Així s’han obtingut reduccions fins del 30 % en els tumors sòlids del càncer de còlon. Per mitjà de l’enginyeria genètica, s’intenta que les cèl·lules canceroses tinguin un nombre més elevat d’antígens, perquè siguin atacades més fàcilment pels anticossos i siguin més sensibles als medicaments citotòxics. Activitats 40 Relaciona els termes de la primera columna amb els conceptes que figuren a la segona. Termes 1. Tumor maligne 2. Virus del papil·loma humà 3. Anticòs monoclonal 4. Oncogèn 5. Gen supressor 6. Neoplàsia 7. Tumor benigne 8. Mieloma 9. Hibridoma 10. Protoncogèn

234

Conceptes a. Fusió d’un limfòcit amb una cèl·lula d’un mieloma. b. Gen que provoca la transformació d’una cèl·lula normal en cancerosa. c. Tumor del sistema immunitari. d. Gen que amb una petita alteració passa a ser un gen cancerígen. e. Tumor localitzat i que no creix contínuament. f. Procés de transformació d’una cèl·lula normal en cancerosa. g. Tumor que creix contínuament i envaeix els teixits adjacents. h. Agent infectant que provoca el càncer d’úter. i. Gen que inhibeix la divisió cel·lular descontrolada. j. Immunoglobulina per a un únic tipus de limfòcit específic.

unitat 11

12 El projecte Genoma Humà Al final dels anys vuitanta del segle passat es va proposar l’objectiu internacional de conèixer la seqüència de nucleòtids (3109 parells de nucleòtids) dels 25.000 gens de l’ésser humà continguts en els 23 tipus de cromosomes. Amb aquest propòsit, l’any 1988 es va fundar l’Organització del Genoma Humà (HUGO) i el 1990 es va iniciar l’anomenat projecte Genoma Humà. L’any 2003, abans del que es pensava, es va seqüenciar completament el DNA humà. La raó que es trigués tan poc temps és que es va treballar amb RNAm, i això va simplificar molt la tasca, ja que tan sols el 3 % del genoma són gens que codifiquen proteïnes. Poc després es va confirmar que, sorprenentment, només contenia uns 25.000 gens, molt pocs si es considera que, per exemple, la mosca Drosophila melanogaster en té 13.700. Actualment es considera que la gran complexitat humana no depèn tant del nombre de gens, sinó de les diferents maneres d’interactuar entre si i, per tant, de les seves múltiples formes d’expressió. El coneixement de la seqüència de nucleòtids de cada gen i de la seva forma d’expressar-se permetrà tenir una referència fonamental per a la teràpia gènica. Es podrà conèixer si s’és portador d’una malaltia genètica que no es manifesta en els primers anys de vida, i la possibilitat que arribi a manifestar-se, i d’aquesta manera es podran prendre les precaucions necessàries. Les malalties que primer es poden beneficiar d’aquests coneixements són el càncer, la malaltia d’Alzheimer, determinats tipus d’asmes i algunes malalties neuronals, com ara l’esquizofrènia. L’any 2004 ja s’havien descobert els genomes de diversos virus (MS2, SV40, φ-X174, λ) i d’unes 150 espècies d’organismes: dels bacteris (Staphylococcus aureus, Haemophilus influenzae i Escherichia coli), d’un llevat (Saccharomyces cerevisiae), que és un organisme unicel·lular eucariota, d’un cuc nematode d’un mil·límetre de llarg i només 859 cèl·lules (Caenorhabditis elegans), de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), d’una planta (Arabidopsis thaliana) i de l’espècie humana (Homo sapiens), entre d’altres. Organisme

Mida del genoma (Mb)

Nombre de gens

Escherichia coli

4,6

4.400

Saccharomyces cerevisiae

12

5.800

Drosophila melanogaster

180

13.700

Caenorhabditis elegans

97

19.000

Arabidopsis thaliana

118

25.500

2.900

25.000

Homo sapiens

Seqüència del genoma humà.

Mida del genoma i nombre de gens en diversos organismes.

Activitats 41 Observa la taula de més amunt i elabora una gràfica que relacioni la mida del genoma, en milions de nucleòtids, i el nombre de gens. Quines conclusions en treus? 42 Quants cromosomes, quants gens i quants nucleòtids hi ha en una cèl·lula epitelial humana? 43 Per què es considera important conèixer la seqüència de nucleòtids d’una espècie? 44 Per què es van triar les espècies esmentades en la taula de més amunt per seqüenciar-ne el DNA?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

235

13 Riscos i implicacions ètiques

de l’enginyeria genètica La tècnica del DNA recombinant es va iniciar durant els anys setanta, tan sols quinze anys després que es descobrís l’estructura del DNA, i des d’aleshores alguns científics han expressat preocupació pels possibles perills que comporta. Per exemple, se sap que el virus dels simis 40 (SV40) produeix càncer en els micos. Si s’introdueix en el bacteri Escherichia coli, que és capaç de viure a l’intestí humà, potser originaria un bacteri que, si s’escapa del laboratori, podria produir càncer en els humans.

Comité Internacional de Bioètica.

El 1974, onze biòlegs van demanar l’establiment de normes per regular els possibles perills dels treballs amb DNA recombinant i van demanar una moratòria respecte d’experiments amb gens productors de càncer o substàncies tòxiques. El 1976 es van establir les normes per a aquest tipus d’experiments, normes d’esterilització, sales a baixa pressió per evitar la sortida d’aire contaminat en cas d’accident, treballar amb soques d’Escherichia coli genèticament febles que no puguin viure fora del laboratori, etc. En una primera etapa, les qüestions sobre enginyeria genètica es van centrar en la qualitat, la seguretat i l’eficàcia dels productes. En una segona etapa, la discussió ha versat sobre qüestions ètiques i la relació amb els processos legislatius. Per donar resposta a aquestes qüestions s’han creat diverses organitzacions, entre les quals destaca el Comitè Internacional de Bioètica de la Unesco, constituït per uns cinquanta científics d’uns 35 països, fundat pel català Frederic Mayor Zaragoza l’any 1993. L’objectiu d’aquests comitès de bioètica és evitar aspectes del progrés que atemptin contra la dignitat humana, que la ciència no sigui identificada com a parcialment sospitosa i, finalment, que les seves possibilitats no generin perillositat per manca de definicions ètiques. Els criteris bàsics que s’han establert són els següents: • Límits per motius ecològics i de sanitat. Es considera que hi ha d’haver controls molt estrictes en la producció d’organismes transgènics quan aquests puguin causar desastres ecològics, com ara l’extinció d’espècies naturals a causa de la competitivitat més gran dels transgènics, provocar malalties en l’espècie humana (per exemple, infeccions degudes als nous virus o als nous bacteris) o produir contaminacions, sobretot de les aigües, a causa de possibles nous processos metabòlics indesitjables. • Límits per motius ètics i morals. Es considera que moltes aplicacions que són totalment lícites en espècies animals i vegetals no ho són en l’espècie humana, donada la dignitat de l’ésser humà. L’ús d’enginyeria genètica amb la intenció de guarir una malaltia humana (teràpia gènica) és moralment desitjable, sempre que es respecti la integritat de l’individu i no se l’exposi a riscos desproporcionats. • Límits per motius socials. Es considera que hi ha d’haver límits legals, basats en el dret a la intimitat, que impedeixin l’exigència d’un sondeig gènic per accedir a un lloc de treball, a una plaça en un centre educatiu, a una assistència sanitària, a la firma d’una pòlissa d’assegurances, etc. • Límits per motius polítics. Es considera que les aplicacions de l’enginyeria genètica en la producció vegetal i animal han d’afavorir tots els humans i no tan sols els grups que dominen aquestes tècniques. Hi podria haver perjudicis econòmics greus si, amb l’establiment de patents d’organismes transgènics, s’augmentessin les diferències entre els països pobres i els països rics.

236

unitat 11

Hi ha controvèrsia entre els científics sobre la licitud de patentar les seqüències dels diferents gens que es vagin descobrint. Uns consideren que no s’haurien de patentar mai, sinó posar-les al servei de tots els països. Altres diuen que és lògic que els laboratoris vulguin recuperar les inversions fetes, tal com passa en la indústria farmacèutica. D’una banda els governs no semblen disposats a assumir les elevades despeses que comporta aquesta recerca i, d’una altra, si no es permet als laboratoris patentar-los per obtenir-ne beneficis, és possible que la recerca quedi per fer. L’organització HUGO defensa que tan sols es puguin patentar les seqüències de les quals se sàpiga la funció, com ara marcadors, llocs d’actuació de medicaments o gens de funció coneguda.

Laboratori d’investigació genètica.

Activitats 45 Quins perills respecte de l’equilibri ecològic i respecte de la salut humana es poden derivar de l’enginyeria genètica? 46 Quins avantatges respecte de l’alimentació i de la salut humana cal esperar d’aquestes tècniques? 47 Hi ha d’haver límits per a determinades pràctiques científiques? 48 Tan sols els científics han d’establir les normes ètiques? És responsable el científic del mal ús que posteriorment es pugui fer dels seus descobriments? 49 Creus que és possible predir els efectes negatius en els humans i en l’entorn natural dels organismes transgènics? 50 És congruent amb la finalitat de la ciència la possibilitat d’escollir, per exemple, el color de la pell dels fills? 51 L’elecció d’embrions, la clonació, la creació de noves espècies i la producció d’organismes transgènics, accions tan generalitzades en la investigació en animals o vegetals, èticament es poden dur a terme en humans? Per què?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

237

Activitats Interpretació de dades 52 La síndrome (conjunt de símptomes) de Down, apareix quan en lloc de dos cromosomes 21 n’hi ha tres, o quan n’hi ha dos i un fragment d’un tercer. El primer cas és degut a un error en la separació de les cromàtides durant la gametogènesi, més freqüent com més gran és la mare. El segon cas, molt menys freqüent, és degut a una translocació no recíproca d’un segment del cromosoma 21 a un altre cromosoma en les cèl·lules del progenitor. L’individu és normal, però no tota la seva descendència.

55 Per què es considera que hi ha més proximitat entre D. pseudobscura i D. willistoni, que difereixen en 2 cromosomes, que entre D. pseudobscura i D. melanogaster, que només difereixen en un cromosoma? • Per què no s’ha considerat que l’espècie amb més cromosomes, que és D. virilis, és la més recent i les altres tres són les anteriors? 56 En l’esquema següent es representa com un canvi tautomèric que només dura un temps breu pot donar lloc a una mutació.

• Comenta per què en l’esquema següent tan sols el 25% de la descendència té síndrome de Down.

T G C A C

DNA del progenitor Gàmeta aportat per l’altre progenitor

A C G T C

Duplicació del DNA

a

T G

A C

Individu normal Gàmetes C

G

G

A G C

T

T

T C

A G

b cromosoma núm. 21 Individu deficient

Individu normal amb translocació no recíproca

T G C A G

c

A C G T C

T G T A G

Resultat de la primera generació

A C G T C

Individu amb síndrome de Down Segona duplicació del DNA d

Individu normal amb translocació no recíproca

53 Quins tipus de mutacions poden produir bucles? Quines poden produir terminacions esglaonades? Quines diferències hi ha entre els bucles i les nanses d’inversió? 54 En un cromosoma tenyit amb la tècnica de bandatge s’ha anomenat cada grup de bandes amb les lletres a, b, c, d, e, f, g, h, i, j. Indica què ha passat si la seqüència de bandes és:

238

A C G T C

T G C A G

a

A C G T C

T G C A G

b

A C A T C

T G T A G

c

A C G T C

T G C A G

d

a) Quina és la base nitrogenada que adopta una forma tautomèrica? b) Quin és el parell de bases que ha canviat?

a) abcdedefghij.

c) abcdeghij.

c) Quin dels quatre descendents és el mutant?

b) abcfedghij.

d) abcfghdeij.

d) Quin tipus de mutació és i quina importància pot tenir?

unitat 11

57 Observa la taula dels principals genomes seqüenciats. Es tracta d’espècies que tenen un interès especial perquè són molt utilitzades en la recerca (Mb  milions de parells de bases). Organisme

Mida del genoma haploide (Mb)

Nombre de gens

Gens per Mb

Hemophilus influenzae (bacteri)

1.8

1,700

940

Escherichia coli (bacteri)

4.6

4,400

950

Saccharomyces cerevesiac (llevat)

12

5,800

480

Caenorhabditis elegans (nematode)

97

19,000

200

Arabidopsis thaliana (planta)

118

25,500

215

Drosophila melanogaster (mosca del vinagre)

180

13,700

76

Oryza sativa (arròs)

430

60,000

140

Danio rerio (peix zebra)

1,700

22,000

13

Mus musculus (ratolí domèstic)

2,600

25,000

11

Homo sapiens (humà)

2,900

25,000

10

Fritillaria assyriaca (planta)

59 En el virus del sarcoma de Rous s’ha observat que l’oncogèn src produeix la proteïna proteinquinasa, que actua fosforilant l’aminoàcid tirosina, acció que canvia les propietats de moltes proteïnes. Així doncs, té una gran influència i es pot considerar una proteïna reguladora. S’ha observat que el virus no necessita aquest oncogèn per fer el seu cicle i, d’altra banda, que en el DNA del pollastre hi ha seqüències, separades per introns, que juntes són complementàries del gen src, que és un segment d’RNA. Aquestes seqüències juntes s’anomenen protooncogèn, ja que se suposa que és el precursor de l’oncogèn. Els oncogens són molt semblants als protooncogens, però no iguals, perquè aleshores la cèl·lula seria cancerosa. Els oncogens es poden fer servir com a sondes per detectar l’existència de protooncogens en les cèl·lules normals, per observar quin segment del DNA cel·lular s’hibrida amb l’oncogèn. Els protooncogens localitzats així han permès esbrinar quines alteracions en la seqüència de DNA impliquen la transformació cancerosa. Per mitjà d’enzims de restricció s’han tallat el protooncogèn i l’oncogèn pels mateixos llocs i se n’han recombinat els segments resultants, és a dir, s’han obtingut segments mixtos d’oncogèn i protooncogèn. A partir dels segments que continuaven produint la transformació cancerosa, s’ha pogut deduir quina és la diferència. En el cas del càncer humà de bufeta es limitava a un parell de bases (A en lloc de G), de les 5.000 que tenia l’oncogèn. Això implicava el canvi d’un sol aminoàcid (valina en lloc de glicina), però amb això n’hi ha prou perquè la nova proteïna impliqui les característiques de la cèl·lula cancerosa. • Quins éssers vius pateixen el sarcoma de Rous? • Quin tipus d’àcid nucleic presenta el virus del sarcoma de Rous?

120,000

ND

ND

Respon: • Quins tipus d’organismes presenten menys DNA sense informació? • Quins en presenten més? • Quins tipus de valors de la taula estan més relacionats amb la complexitat dels éssers vius? 58 S’anomena genètica mendeliana la basada a deduir la informació genètica dels organismes a partir de les proporcions dels descendents. Cada característica d’una espècie rep el nom de caràcter biològic, per exemple, en el pèsol podem citar «color de la llavor», «forma de la llavor», «color de les flors», etc. Cada característica es pot manifestar de forma diferent, per exemple, llavors grogues, llavors verdes, llavors llises, etc. En la majoria dels organismes eucariotes, cada manifestació depèn de dues informacions o gens, un aportat pel pare i un altre aportat per la mare. Els gens que informen sobre un mateix caràcter es diuen al·lels. Quan un al·lel no deixa que se’n manifesti un altre, es diu que és dominant respecte de l’altre, que s’anomena recessiu. Quan succeeix això es diu que se segueix un patró d’herència dominant. Quan els dos al·lels són iguals, es diu que l’individu és homozigot o de raça pura, i quan són diferents, es diu que és heterozigot o híbrid. • Com serà la descendència entre dues plantes de pèsols híbrides respecte a la forma de les llavors, sabent que el gen llis és dominant respecte al gen rugós?

Les mutacions, els gens i l’enginyeria genètica

• Per què hi ha organismes que són afectats pels agents cancerígens i uns altres que no? • Per què un canvi en un sol nucleòtid pot comportar un càncer? 60 Per conèixer la seqüència de nucleòtids de tot el DNA, s’utilitza el mètode de terminació de la cadena per didesoxiribonucleòtids o mètode didesoxi. Es pot fer en una màquina de manera automàtica. Primer es desnaturalitza el DNA, és a dir, se’n separen les dues cadenes, i es posa la cadena a seqüenciar, que no pot tenir més de 800 parells de bases, la DNA-polimerasa, l’encebador apropiat, els quatre tipus de desoxiribonucleòtids trifosfats i els quatre tipus de didesoxiribonucleòtids trifosfats, cadascun marcat amb un colorant fluorescent de diferent color. Els didesoxribonucleòtids presenten en el carboni 3 un radical –H en lloc d’un radical –OH i, per tant, ja no s’hi pot ajuntar cap altre nucleòtid; és a dir, impliquen el final de la síntesi. Durant la síntesi, els didesoxiribonucleòtids es posen a l’atzar, i això dóna lloc a una sèrie enorme de segments de DNA de diferent longitud, cadascun finalitzat amb un didesoxiribonucleòtid marcat amb un color determinat. A continuació es fa una electroforesi dels fragments en un tub molt prim, ple de gel de poliacrilamida. Els fragments més curts són, lògicament, els més ràpids. Amb un detector de fluorescència, es van captant els diferents colors dels fragments a mesura que van passant i, així, es va deduint l’ordre dels nucleòtids. • Quina propietat dels didesoxiribonucleòtids els permet ser els últims nucleòtids de la cadena? • Com un programa informàtic pot ajudar a ordenar els fragments de DNA?

239

Laboratori Model de la tècnica de seqüenciació del DNA Material • Tres galledes amb peces rectangulars tipus Lego vermelles, blaves, verdes i grogues • Una galleda amb peces rectangulars tipus Lego dels mateixos colors sense els connectors superiors (cal posar-los cinta adhesiva). • Un full on consti la seqüència que s’ha de construir • Un tros llarg de paper d’embalar • Un regle • Una cinta mètrica

A

T

G

C

Objectiu Construir un model que representi la tècnica de seqüenciació del DNA anomenada mètode didesoxi, inventada per Frederick Sanger. Les peces amb connectors representen desoxiribonucleòtids, i les peces sense connectors –perquè els tenen tapats amb cinta adhesiva– representen didesoxiribonucleòtids. Cada color representa un tipus de base nitrogenada. Per exemple, el blau, G, el vermell, A, el groc, T i el verd, C. També cal dir que en la realitat tot el procés es fa en el medi aquós i que les nostres mans equivalen a la DNA-polimerasa. 1. Generació dels fragments de DNA Feu quatre grups d’alumnes i assigneu un color a cada grup. Cada grup tindrà quatre galledes, cadascuna amb peces d’un color. Ara bé, la galleda amb peces de color vermell que tindrà el grup vermell contindrà algunes peces sense connectors. La galleda amb peces de color blau que tindrà el grup blau també contindrà algunes peces sense connectors, i el mateix passarà amb els altres grups i el seu color. Es donarà a cada grup un paper amb la seqüència que ha de construir escrita. Per exemple, G-C-A-G-C-G-A-T-A-G-C-G. Cada grup ha de construir aquesta seqüència sense mirar com és la peça que agafa, i si és una peça sense connectors, ja no pot continuar, l’ha de guardar i n’ha de començar una altra. Al final, cada grup tindrà 4 o 5 piles de diferent alçada.

G C A G

2. Simulació de l’electroforesi i del detector de fluorescència

C G

Dibuixeu en un paper d’embalar quatre carrils, un per a cadascun dels grups, i unes marques per indicar a on arribarien les piles de cinc peces, les de quatre peces, etc. Cada grup haurà de posar les seves peces on corresponguin, com més curtes, més avançades, i de forma vertical, per poder veure quin és el color de la peça més alta, és a dir, l’últim nucleòtid. Deduïu quina és la seqüència del DNA i comproveu si és la que teníeu escrita en el paper. Els investigadors no coneixen la seqüència inicial, però la lectura final, la dedueixen de la mateixa manera com ho heu fet en aquesta activitat. Aquesta pràctica està basada en la que es proposa a la web de la University Purdue sobre l’ensenyament de la genòmica. A la seva pàgina web hi ha moltes altres activitats: http://www.entm.purdue.edu/extensiongenomics/GAME/spanish/ lesson3.html.

240

A T A G C G

Practica 61 Redacta un informe on expliquis el procés i les conclusions que has extret d’aquesta experiència.

unitat 11

La reproducció i el desenvolupament Els glúcids dels organismes pluricel·lulars

5 12

CONTINGUTS

RECORDA I RESPON

• Les plantes estan constituïdes bàsicament per glúcids. En pots anomenar algun? • Coneixes la composició del sucre? Saps d’on prové? • Saps de què està format el cotó? I el paper de cuina?

CONTINGUTS

1 La reproducció asexual i la sexual 2 Diferències entre reproducció i sexualitat 3 Reproducció asexual o vegetativa 4 Reproducció sexual 5 Les etapes en la reproducció sexual 6 La reproducció assistida 7 La clonació i les cèl·lules mare 8 Els problemes ètics derivats de la biotecnologia cel·lular

1 Els glúcids 2 Els monosacàrids 3 Els disacàrids 4 Els2006 polisacàrids L’any un equip d’investigadors va trasplantar cèl·lules mare de medul·la òssia humana prèviament tractades Glúcidsque associats a altres tipus a5 ratolins patien diabetis. Al capde demolècules 32 dies els ratolins presentaven una quantitat més gran d’illots de cèl·lules productores d’insulina i la quantitat de glucosa en sang havia disminuït sensiblement. 6 Les funcions dels glúcids • Què creus que devia passar?

Cèl·lula mare.

1 La reproducció asexual i la sexual En els organismes pluricel·lulars es distingeixen dos tipus de reproducció: la reproducció asexual i la reproducció sexual. Es parla de reproducció asexual quan els descendents tenen la mateixa informació genètica que el progenitor (tret que s’hagi produït una mutació). Òbviament tan sols hi ha un progenitor.

Meiòspora. Espora haploide pròpia de la reproducció sexual. S’origina per meiosi. Mitòspora. Espora diploide pròpia de la reproducció asexual. S’origina per mitosi. Partenogènesi. Generació d’un nou individu a partir d’un òvul sense fecundar.

Es parla de reproducció sexual quan els descendents tenen una informació genètica diferent de la del seu progenitor o progenitors (independentment de si s’han donat o no mutacions). Aquesta diferència pot ser deguda a dues causes: • Que cada descendent procedeixi d’un zigot format per la unió de dos gàmetes, l’un produït per un progenitor, i l’altre, per l’altre progenitor. Els gàmetes són cèl·lules haploides (n). En les espècies de cicle diploide es formen per meiosi a partir de cèl·lules diploides dels progenitors. En les espècies de cicle diplohaploide, com que els gametòfits ja són haploides, es formen mitjançant la mitosi. • Que cada descendent neixi a partir d’una sola cèl·lula haploide, és a dir, amb tan sols la meitat dels cromosomes que tenen les cèl·lules del seu únic progenitor. Es tracta d’una cèl·lula que s’ha generat per meiosi, que pot ser una meiòspora*, com succeeix en els esporòfits de molses, falgueres i fongs superiors, o pot ser un gàmeta femení sense fecundar, com succeeix en els mascles de les abelles (abellots). Aquesta darrera forma s’anomena partenogènesi* sexual, i és un tipus de reproducció sexual, atès que el fill no té la mateixa informació que la mare. En tots aquests casos el procés de sexualitat, entès com a donació i recepció de material genètic, radica en els grups de gens que s’intercanvien entre les dues cromàtides homòlogues (recombinació genètica) durant la meiosi.

Gàmeta  (n)

Gàmeta  (n) Fecundació Zigot (2n) Adult  (n) Adult  (n)

Meiosi  

Cicle diplohaploide a l’alga Chlamydomonas. Les fases diploides estan representades en verd, i les fases haploides, en groc.

 Mitòspores (n)



Meiòspores (n)

En els cicles diplohaploides, com ara els de molses i falgueres, s’ha de parlar de cicles de reproducció sexual, en els quals s’alterna una generació haploide amb una altra de diploide. En alguns cicles biològics, com el de molts cnidaris, sí que s’alternen la reproducció sexual i l’asexual. Les meduses generen gàmetes que, després de la fecundació, donen lloc a una larva diploide, que es fixa al fons i genera un pòlip (reproducció sexual). Després, aquest es fragmenta per escissió transversal, i cada fragment genera una nova medusa (reproducció asexual). Els fongs es reprodueixen per espores de forma asexual i de forma sexual. Quan emeten espores diploides (2n), generades per mitosi (les anomenades mitòspores*) es reprodueixen asexualment, mentre que si emeten espores haploides (n), generades per meiosi (les anomenades meiòspores) es reprodueixen sexualment. 242

unitat 12

A FONS Alguns autors consideren que tan sols s’hauria de parlar de reproducció sexual quan durant aquest procés hi ha meiosi i posteriorment unió dels gàmetes (o estructures similars). Aquesta concepció, tan evident en espècies superiors com ara la humana, origina el problema que no podrien ser considerats casos de reproducció sexual aquells en els quals hi ha meiosi però no hi ha unió de gàmetes, ni tampoc aquells en els quals no hi ha meiosi però sí que hi ha unió d’informacions genètiques. • Exemples de reproducció amb meiosi però sense unió de gàmetes són la partenogènesi, abans esmentada, les meiòspores de molses i falgueres, que finalment formen gametòfits (individus complets i de vida autònoma), i les meiòspores dels fongs superiors, que donen lloc a hifes independents. • Exemples de reproducció sense meiosi però amb fecundació són la unió d’anterozoides i oosferes en molses i falgueres, que són gàmetes formats mitjançant la mitosi (no per meiosi), i la unió d’hifes en els fongs, per generar els cossos fructífers (bolets).

Esporòfit (2n) Fecundació Meiosi 乆 (n) 么

Espora (n) 乆 Molsa

Gametòfit (n)

Germinació

Protonema (n)

Molsa (gametòfit i esporòfit).

Falguera

Esporòfit (2n) Esporangis

Esporòfit (2n) Meiosi

Fecundació Zigot

Espores (n)

乆 么

Protal·lus (n)

Gametòfit (n)

Esporòfit de falguera amb esporangis.

Gametòfit de falguera.

La conclusió és que tots aquests casos sí que s’han de considerar tipus de reproducció sexual. Són casos que, simplement, difereixen del típic, en què la meiosi es dóna en uns individus, i la unió de les dotacions genètiques en d’altres, els de l’etapa següent del cicle biològic. No han de ser considerats casos de reproducció asexual atès que el progenitor és diploide i els descendents són haploides, o a l’inrevés. Així doncs, n’hi ha prou que hi hagi meiosi durant la reproducció, com succeeix en la generació de gàmetes i meiòspores, o n’hi ha prou que hi hagi fecundació, com succeeix en molses i falgueres, quan s’uneixen anterozoides i oosferes (tots dos sorgits per mitosi), o com succeeix en els fongs, quan s’uneixen dues cèl·lules (totes dues sorgides per mitosi) d’hifes de signe diferent, perquè siguin casos de reproducció sexual. En els dos casos, la dotació genètica dels descendents és radicalment diferent de la dels seus progenitors.

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

243

2 Diferències entre reproducció

i sexualitat La reproducció és la generació de nous individus, mentre que la sexualitat és la donació i la recepció de material genètic (DNA). Per tant, hi pot haver reproducció sense sexualitat i sexualitat sense reproducció. La reproducció sense sexualitat és l’anomenada reproducció asexual; per exemple, un fragment d’alga que es fixa i dóna lloc a un nou individu, un esqueix que s’enterra i genera una nova planta, etc.

Les algues poden reproduir-se a partir d’un fragment.

La sexualitat sense reproducció es dóna quan hi ha una donació i una acceptació de material genètic sense que això comporti la generació d’un nou individu. N’és un exemple la formació de gàmetes per meiosi (l’espermatogènesi i l’ovogènesi en els animals), ja que hi ha recombinació genètica i no sempre els gàmetes donen lloc a nous individus. La sexualitat sense reproducció tan sols es dóna en els éssers pluricel·lulars, ja que en els unicel·lulars, quan l’única cèl·lula incorpora un o més gens, la seva informació genètica canvia, fins i tot pot manifestar característiques i comportaments diferents dels d’abans i, per tant, s’ha de considerar un nou individu (en aquests cas hi ha hagut reproducció).

Galanteig de dues grues japoneses.

La definició de la sexualitat com a «donació i recepció de material genètic» es refereix a la sexualitat en sentit estricte, és a dir, en sentit fisiològic. En sentit ampli, la sexualitat també inclou totes les activitats encaminades a la reproducció sexual, com ara el galanteig, la preparació del niu per part del mascle per atreure la femella, etc. En aquest sentit sí que hi ha molts actes de «sexualitat» sense reproducció. 244

unitat 12

A FONS La conjugació i l’autogàmia La conjugació i l’autogàmia són dos casos de sexualitat en organismes unicel·lulars. Es duu a terme principalment en els protozous ciliats, que tenen dos nuclis: el macronucli i el micronucli. En aquests casos, el micronucli experimenta diferents processos, com ara divisió mitòtica, degeneració i fusió de micronuclis. La conjugació és un procés de sexualitat, ja que hi ha una recombinació genètica entre dos individus mitjançant l’intercanvi de dos nuclis. El micronucli o nucli germinal dóna lloc a un nucli femení sedentari i a un altre nucli masculí mòbil, que passa a l’altre individu i fecunda el nucli femení d’aquest.

→

2n

→

→

micronucli

n

n

→

macronucli

3 n n

pronuclis

→ 5

6

4

→

7

Conjugació en un Paramecium

2n

→

2

→

→ 1

8n

8

6. Les dues cèl·lules s’intercanvien dos pronuclis.

1. Apropament de dos individus.

7. Fusió dels pronuclis i formació d’un sincàrion.

2. Fusió de dues cèl·lules.

8. A cada cèl·lula, el micronucli diploide es divideix per mitosi tres vegades; dels vuit nuclis formats, un queda com a micronucli, quatre s’uneixen i formen el macronucli (que creixerà per endomitosi), i tres desapareixen.

3. Degeneració dels macronuclis i meiosi dels micronuclis. 4. Degeneració de tres micronuclis haploides a cada cèl·lula. El micronucli restant s’anomena pronucli. 5. Els dos pronuclis es divideixen per mitosi.

L’autogàmia consisteix en la unió dels nuclis dins de la mateixa cèl·lula. Aquesta unió es dóna, per exemple, en el Paramecium, en el qual té lloc un procés semblant al que passa durant la conjugació, però amb un final diferent, ja que en aquest cas l’individu no intercanvia material amb un altre, sinó que el micronucli mòbil i l’estacionari del mateix individu es fusionen i originen el nucli del zigot.

→

→ 2

→

Autogàmia en un Paramecium 1. Cèl·lula amb macronucli i dos micronuclis. 2. Meiosi de micronucli i degradació del macronucli. 3. Degradació de set micronuclis. 4. Mitosi del micronucli haploide en què es genera un pronucli mascle i un altre de femella.

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

3

n

→

1

n

4

n

→

2n

5

2n

6

7

5. Fusió de dos pronuclis i formació d’un sincàrion. 6. El micronucli diploide resultant es divideix dos cops; dels quatre nuclis resultants, dos queden com a micronuclis, i els altres dos, com a macronuclis. S’inicia la divisió del citoplasma. 7. Els micronuclis es divideixen i les dues cèl·lules se separen.

245

3 Reproducció asexual

o vegetativa gemma

Hydra Gemmació, formació de gemmes.

En la reproducció asexual o vegetativa tan sols intervenen processos mitòtics. Els nous individus són genèticament idèntics al progenitor i sorgeixen a partir d’un fragment d’aquest. Es poden distingir cinc tipus de reproducció asexual: gemmació, escissió, fragmentació, esporulació i poliembrionia. • Gemmació. Els nous individus es formen a partir de gemmes pluricel·lulars que s’originen al cos del progenitor. Les gemmes es poden separar del cos del progenitor o quedar-s’hi unides i formar una colònia. Es dóna en porífers (esponges) i cnidaris (pòlips). • Escissió. Consisteix en la divisió longitudinal o transversal d’un organisme en dos o més fragments, que es transformaran en nous individus. Es dóna en porífers, cnidaris i platihelmints. En els cnidaris escifozous, l’escissió (anomenada estrobilació), que és múltiple, dóna lloc a les èfires (fragments), que després es converteixen en meduses. a

Bulb. Tija subterrània formada per fulles carnoses concèntriques que, amb el temps, es divideixen en uns quants bulbs petits, dels quals sortiran plantes noves. Així es reprodueixen les cebes. Esqueix. Tros de tija que si s’enterra dóna lloc a una nova planta. Es dóna en els rosers i els geranis. Estoló. Tija aèria horitzontal que, quan és molt llarga i toca el sòl, genera arrels i tiges verticals, que si queden aïllades constitueixen nous individus; es dóna, per exemple, en les maduixes. Rizoma. Tija subterrània que emet, a cada determinat tram, tiges verticals, que, si posteriorment queden aïllades, constitueixen nous descendents. Això succeeix, per exemple, en les canyes i les falgueres. Tubercle. Tija subterrània que presenta zones meristemàtiques (vulgarment anomenades ulls) que emeten tiges i arrels, per la qual cosa donen lloc a nous individus. Això succeeix, per exemple, en la patata.

246

b

c

Tipus d’escissió en cnidaris. a. Escissió longitudinal de l’hidra d’aigua dolça. b. Escissió transversal d’una gonactínia. c. Escissió transversal múltiple de la medusa Aurelia aurita.

• Fragmentació. És la generació de nous individus a partir d’un fragment del vegetal. Representa en els vegetals el que és l’escissió en els animals. Les formes més importants són: per rizomes*, per tubercles*, per bulbs*, per estolons* i per esqueixos*, molt importants en jardineria. unitat 12

Els cormòfits* presenten una reproducció asexual o multiplicació vegetativa basada en la capacitat que tenen els vegetals de produir nous individus a partir de fragments d’un individu inicial. Els rizomes, els tubercles i els bulbs són tiges modificades a partir de les quals sorgeixen nous individus.

Multiplicació per rizoma

Multiplicació per tubercle

Multiplicació per bulb

En l’agricultura s’utilitzen tècniques de multiplicació vegetativa que permeten mantenir i propagar espècies útils sense necessitat d’obtenir llavors amb encreuaments. L’estaca, el capficament i l’empeltament són exemples d’aquestes tècniques.

L’estaca es basa a enterrar un fragment de tija, de la qual sorgeix un nou individu complet.

El capficament consisteix a enterrar una part d’una branca encara unida a la tija i esperar que faci arrels (arreli). Aleshores es talla i se’n separa la branca de la planta madura.

L’empeltament consisteix a introduir un fragment de la tija (empelt) en una planta patró, posant en contacte els meristemes i els vasos conductors dels dos vegetals. Així, s’uneixen els vegetals i donen lloc a un individu amb les característiques de les dues plantes inicials.

Reproducció asexual en vegetals.

• Esporulació. Es duu a terme a partir d’una sola cèl·lula produïda per mitosi. Aquesta cèl·lula s’anomena espora agàmica o mitòspora, per distingir-la de les espores sexuals o meiòspores, és a dir, produïdes per meiosi. L’ esporulació es dóna, per exemple, en fongs com ara el Penicillium, capaç de produir conidiòspores. • Poliembrionia. Es dóna quan, en les primeres divisions del zigot, les cèl·lules se separen i donen lloc a uns quants individus. En insectes es poden formar més de mil individus a partir d’un sol embrió, i un exemple de poliembrionia en els humans són els bessons univitel·lins.

Cormòfits. Grup sistemàtic que comprèn els briòfits (molses), pteridòfits (falgueres) i espermatòfits (gimnospermes i angiospermes), que es caracteritza per la presència de corm. El corm està contituït per arrel, tija i fulles.

Activitats 1 Indica un exemple de reproducció sense sexualitat i un cas de sexualitat sense reproducció. 2 Quina diferència hi ha entre escissió i fragmentació? 3 Pot haver-hi casos de reproducció asexual en humans? Raona la resposta. 4 Pot haver-hi reproducció sexual amb un sol progenitor? Justifica la resposta.

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

247

Masculí ()

Femeni ()

Isogàmia

Anisogàmia

Oogàmia

Diferències de mida i forma entre gàmetes masculins i femenins.

4 Reproducció sexual La reproducció sexual és la que origina individus genèticament diferents del seu progenitor o progenitors. Es fa a partir de meiòspores, de gàmetes o d’estructures que es comporten com a gàmetes, atès que es fusionen entre si. Totes aquestes cèl·lules o estructures són haploides, per la qual cosa aquestes o les cèl·lules que les han produït s’han generat per meiosi. Els gàmetes són cèl·lules haploides amb funció reproductora. Quan tots els gàmetes són morfològicament iguals, s’anomenen isogàmetes, i es parla d’isogàmia. Sexualment són diferents, és a dir, presenten dos tipus de sexualitat, que se simbolitzen amb els signes  i . Els de diferent tipus s’atrauen. Es dóna en algunes algues i determinats fongs. Si els gàmetes tenen gairebé la mateixa forma, els dos són mòbils però tenen mida diferent, i per tant hi ha macrogàmetes* i microgàmetes*, s’anomenen anisogàmetes o heterogàmetes*, i es parla d’anisogàmia o heterogàmia. La mida dels macrogàmetes és deguda a l’acumulació de reserves encaminades al desenvolupament del futur individu. Es dóna en algunes algues. Si els gàmetes difereixen molt perquè el macrogàmeta no és mòbil, es parla d’oogàmia. Es dóna en la resta d’organismes. En els animals, el macrogàmeta s’anomena òvul, i el microgàmeta, espermatozoide. En els vegetals, el macrogàmeta s’anomena oosfera, i el microgàmeta, anterozoide. S’ha d’evitar confondre l’òvul dels animals amb una estructura pluricel·lular vegetal que conté l’oosfera, també anomenada òvul. La unió dels gàmetes s’anomena fecundació. El tipus d’individus que produeix microgàmetes s’anomena sexe masculí, i els individus s’anomenen mascles. El tipus que produeix els macrogàmetes s’anomena sexe femení, i els seus individus, femelles. Els gàmetes es produeixen en uns òrgans especials anomenats, en els animals, gònades, gònades masculines o testicles i gònades femenines o ovaris. En els vegetals aquests òrgans s’anomenen gametangis, gametangis masculins o anteridis i gametangis femenins o arquegonis.

Anisogàmeta o heterogàmeta. Gàmetes diferents. Macrogàmeta. Gàmeta molt gran i immòbil. Microgàmeta. Gàmeta molt petita i mòbil.

Quan els mascles i les femelles són morfològicament diferents es diu que presenten dimorfisme sexual. Les espècies que presenten individus mascles i individus femelles s’anomenen gonocòriques o dioiques, per exemple l’espècie humana i les palmeres. Si presenten individus capaços de produir els dos tipus de gàmetes s’anomenen espècies hermafrodites o monoiques. Per exemple el caragol d’horta, el cuc de terra i l’ametller.

Activitats 5 Relaciona els termes de les dues columnes. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

248

òvul isogàmetes oosfera mascle anterozoide oogàmia gònada espermatozoide monoic gametangi

a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.

Macrogàmeta de les plantes. Gàmetes diferents amb macrogàmeta no mòbil. Microgàmeta de les plantes. Macrogàmeta dels animals. Òrgan animal on es formen els gàmetes. Individu hermafrodita. Òrgan vegetal on es formen els gàmetes. Individu que produeix microgàmetes. Gàmetes morfològicament iguals. Microgàmeta dels animals.

unitat 12

4.1. Tipus d’unions d’informacions genètiques La somatogàmia i la gametangiogàmia

MEIOSI

himeni

• Somatogàmia. Consisteix en la unió de dues cèl·lules somàtiques. En primer lloc es produeix la fusió dels seus citoplasmes (plasmogàmia), i posteriorment dels seus nuclis (cariogàmia). Aquest tipus de reproducció sexual es dóna, per exemple, en els fongs basidiomicets. • Gametangiogàmia. Consisteix en la fusió de gametangis plurinucleats. Segons si els gametangis masculins i femenins són iguals o diferents, es parla, respectivament, de gametangiogàmia isogàmica i de gametangiogàmia anisogàmica. La primera es dóna en fongs zigomicets, i la segona, en fongs ascomicets.

Somatogàmia. Cicle reproductor d’un basidiomicet. En els basidiomicets la plasmogàmia ocorre quan es fusionen cèl·lules de dues hifes de diferent sexe, i la cariogàmia es produeix quan s’han d’originar els basidis.

Després d’un període de latència a l’interior de la zigòspora, al zigosporangi, just abans de la germinació, es produeix la meiosi. La meitat dels nuclis haploides que es formen són  i l’altra meitat són . Després de la germinació, l’esporangi aeri allibera espores  i .

2n Cariogàmia (reproducció sexual)  hifa binucleada



hifa uninucleada

MEIOSI

2n

Diversos nuclis haploides es fusionen de dos en dos i es forma una zigòspora envoltada d’una membrana resistent que conté uns quants nuclis diploides. Les zigòspores permeten superar les èpoques desfavorables.

Unió dels dos gametangis.

Formació de dos septes que delimiten els gametangis. Aproximació de dues hifes a causa de les hormones.

n

n n

n

miceli  (n)

miceli  (n)

Gametangiogàmia. Cicle biològic del fong zigomicet Rhizopus stolonifer (R. nigricans), vulgarment anomenat floridura del pa. La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

249

La gametogàmia

n

La gametogàmia consisteix en la formació de nous individus a partir de gàmetes. Presenta dues varietats: l’amfigonia i la partenogènesi.

n

n

gàmete

• L’amfigonia és la reproducció gamètica amb fecundació, és a dir, a partir de la fusió dels gàmetes de diferent sexe. Se’n diferencien dos tipus: hologàmia i merogàmia. En l’hologàmia els gàmetes no es diferencien dels individus adults. Es dóna, per exemple, en l’alga unicel·lular Chlamydomonas i en l’alga pluricel·lular filamentosa Spyrogira.

n fecundació

2n

zigot

2n Cloroplast n

n

a

b

n

Pirenoide n

Reproducció de Chlamydomonas.

c

En l’alga Spyrogira, entre dos filaments de sexe diferent que estan molt propers, es forma un pont citoplasmàtic entre dues cèl·lules normals. A través d’ell, una cèl·lula (el gàmeta masculí) passa a l’altre filament i s’ajunta amb l’altra cèl·lula (el gàmeta femení). Poc després se’n fusionen els nuclis i es forma el zigot. Aquest s’envolta d’una paret grossa que resisteix tot l’hivern. A la primavera, el nucli es divideix per meiosi i genera quatre nuclis haploides, dels quals tres degeneren. Després de trencar-se la paret gruixuda, el nucli resultant genera per mitosi un nou filament haploide.

d

Nucli

Filament de citoplasma

e

zigot

f

Tub de conjugació

La merogàmia es dóna quan els gàmetes són molt diferents dels individus adults. Aquests es formen en els seus òrgans sexuals. Es dóna en algues, briòfits, pteridòfits, espermatòfits i metazous, és a dir, és la forma més general.

Reina

• La partenogènesi és, en sentit estricte, la generació d’un nou individu (reproducció) a partir d’un òvul sense fecundar. S’ha de considerar com a reproducció sexual, ja que el nou individu tan sols tindrà la meitat de la informació genètica del seu progenitor. En sentit ampli, també inclou determinats casos de reproducció asexual. Mascle Obrera

Activitats 6 Quina diferència hi ha entre l’anisogàmia i l’oogàmia? 7 Per què la reproducció sexual de l’alga pluricel·lular Spyrogira es considera una gametogàmia i, en canvi, la reproducció sexual dels fongs basidiomicets es considera una somatogàmia? 8 Les femelles dels pugons ponen òvuls diploides que, sense ser fecundats, donen lloc a nous individus. Quin tipus de reproducció segueixen?

Tipus d’abelles Apis mellifica. Tenen una reproducció asexual. 250

9 Les femelles de les papallones de la seda, en el cas que no hi hagi mascles, poden donar per si soles nous individus. Quin tipus de reproducció segueixen?

unitat 12

5 Les etapes en la reproducció sexual En la reproducció sexual per mitjà de la fecundació es poden diferenciar tres etapes: gametogènesi, fecundació i desenvolupament embrionari.

5.1. Gametogènesi La gametogènesi és la formació dels dos tipus de gàmetes. Es duu a terme a partir de cèl·lules somàtiques germinatives (cèl·lules diploides) que segueixen un procés de divisió per meiosi i donen lloc a gàmetes (cèl·lules sexuals haploides). En els animals es distingeix la gametogènesi femenina o oogènesi i la gametogènesi masculina o espermatogènesi. Oogènesi • Fase de proliferació o multiplicació. Les cèl·lules germinals, quan arriben a la maduresa sexual, per mitjà de mitosis successives, originen els oogonis (2n).

corona radiada

espermatozoide

• Fase de creixement. La mida d’alguns oogonis augmenta a causa de l’acumulació de vitel, i es transformen en oòcits de primer ordre (2n). • Fase de maduració. Cada oòcit de primer ordre, per mitjà de la primera divisió meiòtica, origina l’oòcit de segon ordre (n), gran i ric en vitel, i el primer corpuscle polar (n), petit i adossat a l’oòcit de segon ordre. Mitjançant la segona divisió meiòtica, l’oòcit de segon ordre genera l’ovòtida (n) i el segon corpuscle polar. El primer corpuscle polar dóna lloc a dos corpuscles polars. A continuació l’ovòtida dóna lloc a l’òvul i els tres corpuscles polars degeneren.

capa pel·lúcida nucli

grànuls corticals

Òvul humà.

Espermatogènesi • Fase de proliferació o multiplicació. Quan l’organisme arriba a la maduresa sexual, les cèl·lules germinals que hi ha a les parts internes dels túbuls seminífers dels testicles es multipliquen per mitjà de la mitosi i formen els espermatogonis. • Fase de creixement. La mida dels espermatogonis augmenta i aquests es transformen en cèl·lules més grans, anomenades espermatòcits de primer ordre (2n). • Fase de maduració. Cada espermatòcit de primer ordre (2n), per mitjà de la divisió reduccional (primera divisió meiòtica), dóna lloc a dos espermatòcits de segon ordre (n). Cadascun d’aquests, gràcies a la divisió equacional (segona divisió meiòtica), origina dues espermàtides (n), que ja es poden considerar gàmetes. • Fase d’espermiogènesi. Les espermàtides es transformen en espermatozoides a partir del procés següent: el nucli es desplaça cap a un dels pols cel·lulars i forma el cap. Els dos centríols s’allunyen; el més distant al nucli origina el filament axial, i l’altre, situat més a prop del nucli, constitueix la placa basal. L’aparell de Golgi forma l’acrosoma, que conté els enzims hidrolítics capaços de dissoldre la membrana de l’oòcit durant la fecundació. Els mitocondris se situen entre el nucli i el filament axial i constitueixen la peça intermèdia de l’espermatozoide. La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

acrosoma caputxa cefàlica nucli mitocondris

cap

coll part intermèdia

flagel o cua

Formació dels espermatozoides en els túbuls seminífers. 251

OOGÈNESI

ESPERMATOGÈNESI

creixement gran oòcit I meiosi

n

espermatòcit I

n

n

espermatòcit II espermàtides

ovòtida

n

òvul

corpuscles polars

Gametogènesis. L’oogènesi dura molts anys, a diferència de l’espermatogènesi, que tarda tan sols unes setmanes.

2n

Maduració

oòcit II

n

creixement petit

meiosi

Espermiogènesi

n

espermatogonis

Creixement

oogonis

2n

2n

Multiplicació

2n

n

espermatozoides

5.2. Fecundació La fecundació és la unió de les informacions genètiques dels gàmetes. Aquesta fusió dóna lloc a una cèl·lula diploide, anomenada zigot. La fecundació es pot dur a terme a l’aigua, fecundació externa, o a l’interior del cos matern, fecundació interna. L’externa es dóna en els organismes aquàtics com ara esponges, mol·luscs, equinoderms, peixos, i en alguns de terrestres, com ara els amfibis. La interna es dóna en els organismes terrestres i en alguns d’aquàtics. Aquest tipus de fecundació està lligat evolutivament a la conquesta del medi terrestre que van fer els éssers vius. La fecundació interna es fa generalment amb la copulació. Un dels casos en els quals la fecundació interna no necessita la còpula són les salamandres, en què el mascle diposita un saquet que conté els espermatozoides (espermatòfor) i la femella se’l col·loca a la cloaca, on es trenca i s’alliberen els espermatozoides. L’ autofecundació, que es dóna en els hermafrodites suficients, té lloc entre gàmetes de diferent sexe originats en el mateix individu. En els hermafrodites insuficients, es produeix la fecundació encreuada (entre dos individus diferents), amb una còpula doble, com els caragols, o sense còpula, com els cucs de terra. Activitats 10 Quants gàmetes s’originen a partir d’un espermatòcit de primer ordre (2n) i d’un oòcit de primer ordre (2n)? 11 En quina gametogènesi, i en quina etapa, es redueix el citoplasma i en quina augmenta? 12 Quina gametogènesi acaba amb una metamorfosi o diferenciació cel·lular?

252

unitat 12

1a divisió (30 h) 2a divisió (50 h) úter

mòrula

zigot

mòrula (80 h)

fecundació

oòcit secundari trompa de Fal·lopi mòrula (4 dies)

blàstula (5 dies)

nidació (6 dies)

cos luti cos blanc

oòcit secundari

miometri

endometri

ovari fol·licle primari

fol·licle en creixement

fol·licle de Graaf que conté un oòcit

Etapes de la fecundació: la fertilització i l’amfimixi

Procés de fecundació a les trompes de Fal·lopi d’una dona.

La fertilització consisteix en l’aproximació dels gàmetes i en la penetració de l’espermatozoide a l’òvul. En els éssers humans, l’espermatozoide no s’uneix a l’òvul, sinó a un oòcit de segon ordre. Aquesta unió és l’estímul perquè passi d’oòcit a òvul. La dona produeix un oòcit cada 28 o 32 dies, que passa a una de les dues trompes de Fal·lopi, on tan sols s’hi està durant unes 24 hores. Dels 300 milions d’espermatozoides que generalment hi ha en una ejaculació (uns 3 cm3 de semen) a causa de l’acidesa del medi vaginal tan sols l’1% aconsegueix ascendir per l’úter, i tan sols uns quants centenars arriben al tram final de les trompes, on es produeix la fecundació. Si aquesta no es produeix, moren al cap d’unes 72 hores. L’amfimixi és la unió dels dos nuclis en un de sol. En primer lloc, el nucli espermàtic es descondensa, dóna lloc al pronucli masculí, i es dirigeix cap al nucli de l’òvul, l’anomenat pronucli femení. A continuació, els dos pronuclis s’uneixen (cariogàmia), es reabsorbeixen els embolcalls nuclears i es forma un sol nucli (sincàrion), en el qual es reuneixen els cromosomes de tots dos, i així es forma un nucli diploide (2n). Després, els cromosomes homòlegs dels dos pronuclis s’aparellen a la zona equatorial, i s’inicia la primera divisió cel·lular de la vida del nou individu. La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

253

A FONS Fertilització en els éssers humans La fertilització en els éssers humans es dóna en dues etapes: • Penetració de l’espermatozoide S’inicia amb la maduració de l’espermatozoide, l’anomenat procés de capacitació. L’òvul i l’espermatozoide s’aproximen i s’ajunten per un procés de quimiotaxi. Així, per induir la fertilització, el gàmeta femení secreta una substància de caràcter mucopeptídic, anomenada fertilisina, que es combina amb una altra de secretada per l’espermatozoide, anomenada antifertilisina, de manera que es provoca l’adherència de les dues cèl·lules. En el lloc en què l’acrosoma de l’espermatozoide es posa en contacte amb la membrana de l’òvul, es produeix una elevació o prominència d’aquesta, anomenada con de fertilització, en el qual s’engloben el cap i la peça intermèdia, ja que la cua en queda fora. La perforació de la membrana de l’òvul la duu a terme l’espermatozoide gràcies a l’enzim hialuronidasa. L’espermatozoide i l’òvul uneixen les seves membranes plasmàtiques. • Activació de l’òvul Tan bon punt el cap i la peça intermèdia han penetrat a l’òvul, aquest augmenta el consum d’oxigen, i els seus grans corticals s’uneixen amb la membrana plasmàtica; això fa que es formi a la superfície una coberta gruixuda, anomenada membrana de fecundació, que té com a missió mantenir la monospèrmia, és a dir, evitar la penetració de més espermatozoides (polispèrmia). A diferència de l’ésser humà, en algunes espècies animals, per exemple insectes i taurons, uns quants espermatozoides penetren a l’òvul, i donen lloc a la polispèrmia fisiològica, però tan sols un fa la fecundació, mentre que els altres degeneren.

primer glòbul polar capa pel·lúcida

membrana de fecundació

espermatozoide membrana plasmàtica

activació de l’òvul

corona radiada

grànuls corticals de l’òvul

òvul

receptor de l’espermatozoide i reacció acrosòmica

L’oòcit de segon ordre es troba detingut en metafase. Està envoltat per unes quantes cèl·lules del fol·licle de Graaf (corona radiada).

segon glòbul polar

Amfimixi

glòbuls polars

Estadi 8

Estadi 2

El nucli de l’espermatozoide i el nucli La corona radiada es va desfent. de l’òvul s’inflen i es transformen Després de l’entrada de l’espermatozoide en el pronucli masculí i femení, s’acaba la segona divisió meiòtica. respectivament, que s’uneixen.

254

La nova cèl·lula 2n formada (zigot) inicia de seguida la primera divisió mitòtica.

MÒRULA Estadi 32-64

unitat 12

5.3. Desenvolupament embrionari

Formació del mesoderma per esquizocèlia

El desenvolupament embrionari és el procés que comprèn les successives divisions cel·lulars d’un zigot fins a arribar al part (organismes vivipars), o fins a l’eclosió de l’ou, que es pot produir dintre del cos matern (organismes ovovivípars) o fora (organismes ovípars). En els humans, al tercer dia després de la fecundació l’embrió, que s’anomena mòrula, ja té vuit cèl·lules i ha descendit tota la trompa; al cinquè dia es forma un buit interior, i s’anomena blàstula, i al sisè dia penetra a la mucosa uterina (nidació) i s’hi instal·la, i en aquest punt es forma la placenta. A les deu setmanes l’embrió té forma humana, mesura tres centímetres i s’anomena fetus. En el desenvolupament embrionari es poden distingir les fases següents: • La segmentació és el procés de multiplicació del zigot o cèllula ou. En una primera etapa es forma una massa de cèl·lules (blastòmers) denominada mòrula. A continuació, com que hi ha més cèl·lules en divisió a la perifèria que al centre, apareix una cavitat interna (blastocel). Aquesta massa de cèl·lules es denomina blàstula. La capa de cèl·lules (blastòmers) que envolta el blastocel és el blastoderma. Hi ha diversos tipus de segmentació, segons els tipus d’ous. Aquests presenten unes reserves energètiques que reben el nom de vitel. • La gastrulació és el procés del desenvolupament embrionari que condueix a la formació de la gàstrula. És a dir, el pas de la blàstula a la gàstrula, que és l’estructura que ja presenta dos o tres tipus de cèl·lules embrionàries diferents. La gàstrula, és doncs, la primera estructura en què s’observa diferenciació cel·lular. Cadascun d’aquests tipus de cèl·lules forma una capa o full embrionari. La capa que donarà lloc a la superfície externa de l’animal s’anomena ectoderma, la que donarà lloc a la superfície de les parets de l’aparell digestiu s’anomena endoderma, i la que donarà lloc als teixits i els òrgans intermedis s’anomena mesoderma. La gàstrula d’esponges i cnidaris només presenta dos fulls embrionaris (ectoderma i endoderma) i per això s’anomenen animals diblàstics. En els altres hi ha un tercer full embrionari (mesoderma) i per això s’anomenen animals triblàstics. En la majoria d’aquests animals, el mesoderma delimita una cavitat denominada cavitat celomàtica o celoma. Aquests animals s’anomenen animals celomats, i els que no en presenten, animals acelomats. El mesoderma es forma per esquizocèlia o per enterocèlia. – L’esquizocèlia es dóna quan el mesoderma es forma a partir d’algunes cèl·lules de l’endoderma que migren cap al blastocel, on donen lloc a dos cordons mesodèrmics. A l’interior d’ambdós cordons es formen les cavitats celomàtiques. Es dóna en anèl·lids i artròpodes. – L’enterocèlia es dóna quan el mesoderma es forma a partir de dues invaginacions de la regió dorsal de l’endoderma. Els mesodermes així formats acaben delimitant les cavitats celomàtiques. Aquest procés es dóna en equinoderms i cordats. • L’ organogènesi és l’última fase del desenvolupament embrionari, en la qual les cèl·lules i els teixits sofreixen transformacions encaminades a la formació dels òrgans. Segueix el procés següent: – A partir de l’ectoderma es formen l’epidermis i les formacions tegumentàries, les obertures de l’organisme i el sistema nerviós. – A partir del mesoderma es formen els músculs i els ossos, el derma, l’aparell excretor, les gònades i l’aparell circulatori. – A partir de l’endoderma es formen el tub digestiu i les glàndules annexes. La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

Formació del mesoderma per enterocèlia

invaginacions

Ectoderma Cordons mesodèrmics Endoderma Ectoderma Mesoderma Cavitats celòmiques Endoderma Arquènteron

Gastrulació per esquizocèlia i per enterocèlia.

Tres fulls embrionaris Ectoderma Òrgans i aparells • Epidermis i formacions tegumentàries, com ara pèls, plomes, glàndules sebàcies i glàndules sudorípares. • Recobriment d’obertures, com ara la boca, el nas i l’anus. • Sistema nerviós central i perifèric. Teixits • Epitelial i glandular. • Nerviós. Mesoderma Òrgans i aparells • Origen celòmic: aparell reproductor, aparell excretor i aparell circulatori. • Origen no celòmic: derma, esquelet, musculatura. Teixits • • • •

Epitelial i glandular. Muscular. Conjuntiu i adipós. Cartilaginós i ossi. Endoderma Òrgans i aparells

• Tub digestiu i glàndules annexes. • Revestiment interior dels pulmons. Teixits • Epitelial i glandular.

255

Esquema d’un desenvolupament embrionari FECUNDACIÓ

dos blastòmers

òvul (n)

espermatozoide (n)

zigot (2n) SEGMENTACIÓ quatre blastòmers

vuit blastòmers setze blastòmers blastocel

mòrula blàstula

GASTRULACIÓ

ectoderma embòlia

endoderma éssers diploblàstics

arquènteron

gàstrula diploblàstica

esbossos mesodèrmics

blastòpor éssers hiploblàstics circulatori

mesoderma cavitats celomàtiques o celoma

digestiu nerviós

gàstrula triploblàstica

ORGANOGÈNESI

Desenvolupament embrionari en l’enterocèlia.

Activitats 13 Dibuixa l’estructura de l’òvul i de l’espermatozoide. 14 Quins efectes se segueixen de l’amfimixi? 15 Com duu a terme l’espermatozoide la perforació de la membrana de l’òvul? 16 Explica el procés de la segmentació. 17 Quines estructures es deriven de cadascun dels tres fulls embrionaris? 18 Indica si les cèl·lules següents són haploides o diploides: espermatòcit I, espermatòcit II, ovogònia, zigot, òvul, oòcit I, espermàtida, espermatozoide, espermatogònia i ovòtida.

256

unitat 12

5.4. Desenvolupament postembrionari El desenvolupament postembrionari dels animals comença en el moment del part o de l’eclosió i acaba quan aquests animals han arribat a la fase adulta o reproductora. Se’n poden distingir dos tipus: • El desenvolupament directe tracta d’un simple procés de creixement, ja que l’ésser que neix és molt semblant a l’adult. Es dóna en animals ovípars amb un gran contingut de vitel en l’ou (rèptils, aus i alguns insectes) i també en els mamífers vivípars. • El desenvolupament indirecte es produeix quan l’ou té poc vitel, i l’individu neix en una fase primerenca del seu desenvolupament (larva). A partir d’aquest moment, l’individu ha de sofrir una sèrie de transformacions estructurals i fisiològiques fins a adquirir la conformació d’adult (denominat imago en els insectes). Aquest conjunt de transformacions s’anomena metamorfosi. Hi ha diferents tipus de metamorfosis: – La metamorfosi progressiva té lloc quan la larva va adquirint complexitat estructural successivament fins a arribar a l’estat d’adult. – La metamorfosi regressiva té lloc quan la larva és més complexa que l’adult. Aquest cas es dóna comunament en paràsits, en els quals les larves són de vida lliure i tenen un conjunt d’òrgans que s’atrofien en l’adult. – La metamorfosi senzilla o hemimetàbol té lloc quan la larva es desenvolupa sense interrompre la seva alimentació i sense passar per períodes d’inactivitat, i, d’altra banda, molt semblant a l’adult. L’hemimetàbol es dóna en anèl·lids, mol·luscs, crustacis, alguns ordres d’insectes (ortòpters i hemípters), equinoderms i amfibis. – La metamorfosi complexa o holometàbol té lloc quan entre la fase de larva i d’imago l’individu passa per l’anomenada fase de pupa, durant la qual pateix una certa immobilitat, no s’alimenta i travessa un procés de històlisi, pel qual perd alguns teixits larvaris, seguit d’un procés d’histogènesi, durant el qual es formen nous teixits. Es dóna en molts insectes com coleòpters, dípters, himenòpters i lepidòpters. Activitats

Metamorfosi complexa de la papallona reina (Papilio machaon).

19 Quin tipus de desenvolupament postembrionari presenta la papallona de seda? 20 Quina diferència hi ha entre el blastocel i el celoma? 21 De quin full embrionari deriven els músculs, l’aparell digestiu i el cervell? 22 Quina diferència hi ha entre la metamorfosi senzilla i la complexa? 23 Què és una metamorfosi regressiva?

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

257

6 La reproducció assistida Entre el 10% i el 15% de les parelles no poden tenir fills. Les causes de l’esterilitat es reparteixen igualment entre homes i dones. Quan s’utilitza alguna tècnica mèdica per aconseguir la fertilitat de la parella es parla de reproducció assistida.

6.1. Les tècniques més utilitzades

Fecundació in vitro.

258

• La inseminació artificial (IA) consisteix a obtenir esperma mitjançant l’autoestimulació i posteriorment introduir-lo al fons de la vagina, al coll de l’úter o en el mateix úter. El semen se sol mantenir congelat a 196,5 °C als anomenats bancs de semen. S’utilitza quan l’home produeix un semen amb una baixa concentració d’espermatozoides o quan aquests tenen poca mobilitat, i quan la dona presenta vaginisme o anomalies al mucus cervical. L’èxit de la tècnica és del 25% quan s’utilitza el semen anòmal del cònjuge, i del 60% quan s’utilitza un semen normal d’un donant. • La fecundació in vitro (FIV) consisteix a obtenir oòcits madurs d’una dona, fecundar-los amb espermatozoides al laboratori i posteriorment introduir-los en un úter, perquè hi niï i hi prossegueixi el desenvolupament embrionari. Per assegurar l’èxit del procés es treballa amb uns quants oòcits i amb uns quants embrions. Per obtenir els oòcits s’aplica un tractament hormonal que provoca la maduració de desenes d’oòcits. Aquests són retirats per via vaginal sota observació ecogràfica. La FIV es duu a terme sobre una placa de vidre, on s’aproximen a diversos oòcits unes quantes desenes de milers d’espermatozoides. Els zigots formats es comencen a dividir i, transcorregudes de 24 a 48 hores, quan ja han assolit la fase de la blàstula, es fa la transferència embrionària (TE), amb una cànula, a l’interior de l’úter. L’ èxit augmenta si es transfereixen tres o quatre embrions en lloc d’un de sol. Molt sovint això comporta un embaràs múltiple. Els embrions que sobren es guarden congelats durant un temps, que varia segons la legislació del país, per no haver de repetir el procés en el cas que no s’aconsegueixi la reproducció, o per si els pacients volen un altre fill. La FIV s’utilitza, sobretot, en cas d’obstrucció a les trompes de Fal·lopi, que és la causa més freqüent d’esterilitat femenina, i també en casos d’oligospèrmia, ja que per fer la FIV calen pocs espermatozoides. A més, permet recórrer a la microinjecció directa de l’espermatozoide a l’òvul, i, fins i tot, d’una espermàtida, si no hi ha espermatozoides. La mitjana d’èxit de la FIV és del 20% al 30% dels casos. Una tècnica alternativa per als casos d’obstrucció de trompes és la microcirurgia de trompes. Algunes variants són: – La transferència intratubària de gàmetes consisteix en la transferència d’oòcits i d’espermatozoides a les trompes, que és el lloc on, en condicions normals, es duu a terme la fecundació, perquè sigui allà on aquesta es produeixi. – La transferència d’embrions a la trompa consisteix en el fet que l’embrió obtingut al laboratori no s’introdueix a l’úter, sinó a les trompes, que és on estaria, determinat el seu grau de maduresa. – La transferència d’oòcits a la trompa consisteix a transferir oòcits a un lloc en el qual siguin accessibles pels espermatozoides després d’un acte sexual. • La maternitat substitutòria consisteix en la introducció d’esperma o d’embrions, mitjançant tècniques mèdiques, a l’úter de la dona, perquè aquesta tiri endavant l’embaràs i el part. En el cas d’introducció d’esperma, la dona és la mare genètica i gestant; en el cas d’introducció d’embrions, tan sols és la mare gestant. Les dones que duen a terme la maternitat substitutòria es coneixen com a «mares de lloguer». unitat 12

7 La clonació i les cèl·lules mare Des de molt antic els jardiners i els agricultors han utilitzat la reproducció asexual mitjançant esqueixos, estaques i empelts per obtenir nous individus genèticament idèntics al progenitor (clons). En els anys cinquanta, a partir d’una sola cèl·lula del floema de l’arrel de la pastanaga, posant-la en un medi de cultiu artificial amb nutrients i hormones, es va aconseguir tota una planta nova. Es va descobrir, doncs, que en les plantes algunes cèl·lules diferenciades són totipotents*. Aquestes cèl·lules reben el nom de cèl·lules mare. La tècnica que permet generar individus genèticament idèntics a un altre ja existent rep el nom de clonació. Aquesta tècnica equival, doncs, a una reproducció asexual artificial. Des de llavors la clonació ha permès proporcionar planters d’individus genèticament idèntics a l’individu que es desitjava, per exemple, una planta que donava fruits de molt bon gust i sense llavors.

Totipotent. Es diu de la cèl·lula capaç de generar tot tipus de cèl·lules (teixits) de l’adult.

7.1. El primer mamífer clònic: l’ovella Dolly L’any 1997 I. Wilmut va aconseguir generar una ovella clònica, l’ovella Dolly, a partir d’inserir un nucli diploide d’una cèl·lula diferenciada de glàndula mamària, en un òvul al qual prèviament s’havia extret el nucli haploide (transferència nuclear somàtica). El nucli estava en fase Go o de detenció de l’expressió dels gens. Posteriorment, amb un corrent elèctric, es van aconseguir reactivar els gens d’aquest nucli. Aquest èxit va requerir un gran esforç, ja que dels 400 oòcits utilitzats només va néixer una sola ovella: la Dolly.

Clonació de l’ovella Dolly (1997). Es tracta del primer mamífer clonat a partir d’una cèl·lula adulta. Va ser sacrificat al cap de sis anys perquè patia una infecció pulmonar greu. També tenia artritis i un grau d’envelliment superior a la seva edat.

Ovella de raça Blackface escocesa

Ovella de raça Finn dorset

Es retiren cèl·lules mamàries d’una mamella Òvul Es mantenen les cèl·lules mamàries en un medi de cultiu Cèl·lula mamària amb el seu nucli

Es retira del nucli Unió de les dues cèl·lules amb un estímul elèctric (electrofusió)

Òvul sense nucli

Fusió Cèl·lula amb citoplasma de Blackface escocesa i nucli de Finn dorset

Cultiu d’aquesta cèl·lula en un oviducte d’ovella lligat

Embrió en les primeres fases

Recuperació de l’embrió en les seves primeres fases S’implanta l’embrió a l’úter d’una ovella col·laboradora

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

Neix una ovella de la raça Finn dorset (l’ovella Dolly)

259

7.2. Les diferents cèl·lules mare La transferència nuclear somàtica és la tècnica que va obrir la via per intentar aconseguir, no tot un nou individu, sinó només els teixits o els òrgans que cada pacient necessités (medicina regenerativa). Com que aquests serien genèticament idèntics als del pacient, es podrien fer servir per substituir sense perill de rebuig. En el transplantament d’òrgans de persones donants el rebuig es produeix per histoincompatibilitat, és a dir, perquè determinades proteïnes de la membrana plasmàtica de les cèl·lules de l’estructura trasplantada són considerades estranyes pel sistema immunològic del receptor. Aquest, per tant, hi genera anticossos en contra fins que arriba a destruir-la. En canvi, utilitzant teixits o òrgans obtinguts per clonació de cèl·lules del pacient, s’eviten els problemes d’histoincompatibilitat. L’ any 2001 la biòloga C. Verfaillie va descobrir l’existència de cèl·lules mare adultes multipotents a la medul·la òssia, és a dir, cèl·lules que podien diferenciar-se en cèl·lules d’altres teixits. Es tracta de cèl·lules indiferenciades que, segons si s’hi activa l’expressió d’uns gens o d’uns altres, poden generar cèl·lules d’un teixit o d’un altre completament diferent. En els éssers humans s’han trobat en molts altres òrgans, com ara el greix del teixit adipós, la medul·la roja dels ossos, el cordó umbilical, la placenta, el cervell, el múscul cardíac, etc. Són les anomenades cèl·lules mare adultes. També s’han trobat cèl·lules mare en els embrions de cinc dies després de la fecundació, concretament a la capa de cèl·lules que delimita la cavitat interna de la blàstula; són les anomenades cèl·lules mare embrionàries.

Cèl·lules mare neuronals.

En funció de la capacitat de diferenciar-se en més o menys teixits, es distingeixen tres tipus de cèl·lules mare:

Activitats 24 En què consisteix la teràpia cel·lular? 25 Quina diferència hi ha entre les cèl·lules mare adultes i les cèl·lules mare embrionàries segons on es localitzin?

260

• Les totipotents, si poden generar un nou individu completament organitzat i estructurat. • Les pluripotents, si poden generar tots els tipus de cèl·lules d’un organisme però no un nou individu. • Les multipotents, si només poden generar uns determinats tipus de cèl·lules. Les cèl·lules mare es poden utilitzar per guarir les malalties degudes a anomalies cel·lulars. La tècnica consisteix a generar a partir d’elles cèl·lules diferenciades correctes i trasplantar-les al pacient. Aquesta tècnica rep el nom de teràpia cel·lular. Algunes de les malalties humanes que es pensen curar així són la diabetis (per regeneració de cèl·lules β), la leucèmia infantil (per regeneració de medul·la òssia) i la regeneració dels teixits necrosats del cor després d’un infart. unitat 12

Les cèl·lules mare embrionàries i les adultes Les cèl·lules embrionàries d’embrions preexistents generalment presenten un problema d’histoincompatibilitat amb el receptor. Per tant, normalment cal fer un embrió a partir d’una cèl·lula somàtica del pacient. Per això, cal introduir el nucli d’una cèl·lula somàtica del pacient en un oòcit al qual prèviament s’ha extret el nucli, és a dir, fer una transferència nuclear somàtica. Quan l’embrió arriba al cinquè dia és quan es poden obtenir les cèl·lules mare histocompatibles amb el pacient. Aquest procés es denomina clonació terapèutica i els embrions obtinguts s’anomenen embrions clònics. És un procés de clonació similar al que es va fer amb l’ovella Dolly, amb la diferència que l’embrió no segueix un desenvolupament normal cap a un ésser humà, sinó només i exclusivament cap als teixits que es necessiten. La tècnica presenta el problema ètic que comporta la producció i la posterior destrucció d’embrions. Com que el desenvolupament embrionari és un procés continu, és a dir, sense etapes prou diferenciades, no hi ha seguretat que l’embrió no sigui ja considerat un ésser humà i, per tant, que mereixi la mateixa protecció legal que l’adult. D’altra banda s’ha observat que les cèl·lules mare embrionàries propicien l’aparició de tumors en els receptors a causa de la seva elevada proliferació.

Cèl·lules mare totipotents

Cèl·lules mare pluripotents

Cèl·lules mare sanguínies

Globuls vermells

Plaquetes

Globuls blancs

Altres cèl·lules mare especialitzades Cèl·lules especialitzades

Es posen en un mitjà Les cèl·lules de cultiu se subdivideixen

S’extreuen cèl·lules mare de l’os d’un ratolí

Medi de cultiu per crear cèl·lules sanguínies

Les cèl·lules mare adultes són fàcils d’aconseguir a partir d’una simple punció per extreure-les (biòpsia), no presenten problemes d’histoincompatibilitat si s’utilitzen per guarir malalties del propi individu, no originen tumors Les cèl·lules mare es diferencien ja que tenen una taxa més baixa de proliferació i no imcom a cèl·lules sanguínies pliquen el problema ètic d’haver de destruir embrions. A partir de les cèl·lules mare es poden Presenten el problema de ser multipotents, és a dir, cada tipus només pot generar un obtenir cèl·lules especialitzades de tipus determinat tipus, i que quan s’utilitzen les cèl·lules mare del cordó umbilical cal diferents. mantenir-lo congelat durant tota la vida de l’individu.

A FONS Al novembre del 2007 els doctors S. Yamanaka (Universitat de Kyoto) i J. Thomson (Universitat de Wisconsin) van publicar per separat que havien aconseguit transformar cèl·lules humanes adultes de la pell en cèl·lules mare, és a dir, havien aconseguit convertir cèl·lules molt especialitzades en cèl·lules no especialitzades pluripotents. Aquestes cèl·lules ofereixen la possibilitat d’originar cèl·lules adultes de molts tipus diferents i, per tant, obren la porta a poder generar, a partir d’una cèl·lula del pacient, tots els teixits i òrgans que necessiti. Els dos equips van aconseguir transformar les cèl·lules de la pell utilitzant un retrovirus per inserir-hi quatre gens diferents. L’ equip de Yamanaka va obtenir una línia de cèl·lules mare a partir de 5.000 cèl·lules inicials, mentre que l’equip de Thomson en va aconseguir una per cada 10.000, però sense necessitat d’utilitzar un gen considerat cancerigen. Les dues tècniques presenten el risc de provocar mutacions, ja que les cèl·lules mare pluripotents induïdes (IPS) van retenir còpies del virus utilitzat per inserir els gens. El pas següent que es va plantejar va ser aconseguir introduir aquests gens sense necessitat de fer servir els perillosos retrovirus.

Activitats 26 Què són els embrions clònics? Amb quina finalitat es produeixen? 27 Quines diferències hi ha, pel que fa a la utilització en teràpia gènica, entre les cèl·lules mare embrionàries i les cèl·lules mare adultes?

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

261

7.3. La teràpia cel·lular i el desenvolupament embrionari Un dels objectius fonamentals en la teràpia cel·lular és saber com generar un teixit determinat a partir d’una cèl·lula mare i, després, obtenir-ne tot un òrgan. Per això és necessari conèixer com es produeix el desenvolupament embrionari. En aquest es distingeixen tres fases: la divisió cel·lular, la diferenciació cel·lular i la morfogènesi. La divisió cel·lular Un tipus de divisió cel·lular és la meiosi, que només presenten les cèl·lules mare de les cèl·lules sexuals o gàmetes i les cèl·lules mare de les meiòspores. La peculiaritat de la meiosi rau en el fet que, a partir d’una cèl·lula mare, s’originen quatre cèl·lules filles amb la meitat de cromosomes que la cèl·lula mare. Això permet que els organismes nascuts a partir de dues cèl·lules sexuals tinguin a les cèl·lules el mateix nombre de cromosomes que els seus progenitors. Si no fos així, el nombre de cromosomes es duplicaria en cada generació. La diferenciació cel·lular Totes les cèl·lules d’un organisme tenen els mateixos gens, però només es manifesten els gens necessaris per a cada tipus de cèl·lula. La determinació dels tipus cel·lulars depèn dels gens que s’expressen, és a dir, que són transcrits. Per aconseguir aquesta transcripció calen unes proteïnes anomenades cofactors de transcripció que estan codificades per uns altres gens, anomenats gens reguladors, els quals necessiten uns altres cofactors de transcripció. Per tant, hi ha una xarxa d’interaccions gèniques. Això significa un gran avantatge, ja que, actuant sobre un sol gen, tota la xarxa respon i es pot incloure l’obtenció d’una determinada diferenciació cel·lular, és a dir, d’un determinat tipus de teixit. Desenvolupament d’un brot de blat de moro.

S’ha vist que el gen que inicia el procés depèn de les substàncies de l’òvul, els anomenats determinants citoplasmàtics, i de senyals que li arriben d’altres cèl·lules (senyals inductors), és a dir, de l’ambient químic (hormonal) que envolta la cèl·lula. En el cas dels vegetals aquestes substàncies poden arribar a través dels plasmodesmes. El conjunt d’aquests senyals rep el nom de factors epigenètics. La morfogènesi

Activitats 28 Què és la diferenciació cel·lular? 29 A què és deguda la diferenciació cel·lular en diferents tipus de cèl·lules? 30 Què són els gens reguladors? 31 Què són els factors epigenètics? 32 Què són els gens homeòtics? 33 Què és l’apoptosi i perquè és necessària?

262

Els factors epigenètics són els que determinen el patró corporal. En els animals, aquest és determinar la posició del cap, la posició de la cua i la posició dels laterals. En les plantes, el patró corporal és l’establiment de l’eix borró-tija-arrel. Després s’activen els gens que determinen la segmentació corporal. Determinades proteïnes produïdes per aquests activen els gens que determinen els tipus d’òrgans de cada segment (gens homeòtics), i els factors de transcripció produïts per aquests regulen els gens responsables d’òrgans concrets. Les successives regulacions transcripcionals en cascada també determinen la mort programada (apoptosi) de determinades cèl·lules. L’apoptosi és necessària perquè l’embrió es desenvolupi correctament. L’apoptosi es dóna quan s’activen uns determinats gens que provoquen que determinades proteïnes, com per exemple els citocroms mitocondrials, actuïn de forma anormal i provoquin la mort de la cèl·lula. unitat 12

8 Els problemes ètics derivats

de la biotecnologia cel·lular Alguns dels principis ètics que han anat apareixent a mesura que la biotecnologia cel·lular avançava són: • Tot el que pot ser tècnicament possible no té perquè ser acceptat èticament. • Algunes tècniques que es fan servir en l’experimentació amb algunes espècies animals, com amb ratolins de laboratori, no tenen perquè ser acceptades per a les persones. • Tot individu té dret a tenir uns progenitors humans. • La investigació científica també s’ha de supeditar al respecte dels principis ètics, i és tasca del legislador definir-los.

La web del Departament de Salut de la Generalitat de Catalunya recull informació del Comitè de Bioètica de Catalunya i els drets humans.

• La fecundació in vitro (FIV) no és acceptada quan la finalitat és la millora de la raça, per obtenir l’anomenat infant a la carta. • A causa de l’augment de donacions de semen, per evitar que individus, sense saber-ho, siguin germans de pare, amb els problemes de consanguinitat que això comporta, les donacions s’intercanvien entre diferents clíniques i països. • Davant la incertesa de fer un ús adequat o no d’una cèl·lula, el més adient podria ser fer servir una cèl·lula mare adulta. Activitats 34 Imagineu-vos que una parella demana ajuda per aconseguir que el fill que volen tenir sigui d’un sexe determinat, perquè a ells els fa molta il·lusió. A més a més, ja que hi estan posats, també volen que l’infant sigui més alt que ells dos. Quina valoració en faríeu? I si el que demanen els progenitors és que no tingui la malaltia hereditària de la qual ells són portadors? 35 Quina opinió tindríeu d’un científic que, entusiasmat pel bé que pot aconseguir, fes una sèrie d’experiments que han prohibit les lleis del país?

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

Fecundació d’oòcits amb espermatozoides, al laboratori. 263

Activitats 36 L’esquema mostra com s’han obtingut cèl·lules pancreàtiques productores d’insulina a partir de cèl·lules musculars del propi pacient. Observa l’esquema i respon les preguntes: oòcit d’una donant

37 Observa l’esquema d’un procés de biotecnologia i respon: cèl·lula somàtica del Floquet de Neu

òvul de femella de goril·la

extracció i eliminació del nucli de l’òvul

nucleació de l’oòcit pacient extracció del nucli

oòcit nucleat

biòpsia cèl·lula muscular

obtenció del nucli

transferència nuclear

nucli de la cèl·lula somàtica del Floquet de Neu zigot

òvul sense nucli de la femella

introducció del nucli procedent de la cèl·lula somàtica del Floquet de Neu en l’òvul sense nucli de la femella trasplantament al pacient

mòrula òvul amb el nucli de la cèl·lula somàtica del Floquet de Neu

cèl·lules pancreàtiques productores d’insulina

obtenció de les cèl·lules mare embrionàries

a) Quin objectiu té aquest procés? b) Per què s’utilitza un òvul de goril·la? c) Per què no s’utilitza el nucli d’un espermatozoide del Floquet de Neu?

diferenciació in vitro

d) És convenient que l’òvul sigui d’una femella albina? blastocist

cèl·lules mare embrionàries

a) Per què no s’han trasplantat directament les cèl·lules musculars al pàncrees del pacient?

f) Com és possible fer aquest experiment si el Floquet de Neu va morir l’any 2003?

b) Per què no s’han utilitzat cèl·lules mare d’un embrió sobrant?

g) Com seria el nou goril·la obtingut amb aquesta tècnica?

c) Com es diu la tècnica que consisteix a substituir el nucli d’un òvul per un nucli d’una altra cèl·lula? d) Com es diu l’embrió obtingut? e) Com és possible que el nucli d’una cèl·lula muscular pugui generar una cèl·lula pancreàtica? f) Hi ha possibilitats que el sistema immunològic rebutgi les cèl·lules pancreàtiques trasplantades, donat que l’oòcit utilitzat és d’una altra dona? g) Les cèl·lules pancreàtiques trasplantades tindran algun DNA diferent al de les cèl·lules pancreàtiques pròpies? h) Com es diu la tècnica de produir els embrions clònics? i) Quin perill pot comportar l’ús de cèl·lules mare embrionàries? j) Per què creus que hi ha governs i entitats que s’oposen a aquestes tècniques?

264

e) Es podria obtenir una femella albina a partir de les cèl·lules somàtiques del Floquet de Neu?

h) Com es diuen les tres etapes que se succeeixen en un desenvolupament embrionari? i) Com es diuen les substàncies internes de la cèl·lula que influeixen en la diferenciació cel·lular durant el desenvolupament embrionari? 38 Completa: En els animals, els gàmetes es produeixen en uns òrgans especials anomenats ......................................................., que poden ser masculins, i s’anomenen ......................................................., o femenins, i reben el nom de ........................................................ En els vegetals, els gàmetes masculins o ....................................................... es produeixen en uns òrgans especials anomenats ......................................................., i els gàmetes femenins o ......................................................., en uns òrgans anomenats ........................................................

unitat 12

www 39 Consulta l’article «El trasplante de troncales de la médula ósea orienta el futuro de la diabetes» a la web http://www.diariomedico.com/edicion/diario_medico/mi_dm/biotecnologia/tratamientos/es/desarrollo/1051617_04.html i explica per què creus que alguns pacients han de prendre inmunosupressors. 40 En el butlletí Servei de Salut número 22, http://www.caib.es/sacmicrofront/contenido.do?idsite=128&lang=CA&cont=2619, es recullen diferents opinions sobre la publicació dels doctors Yamanaka i Thomson en l’obtenció de cèl·lules mare a partir de cèl·lules adultes. Imagina’t que ets un periodista que has de redactar un article de 20 línies sobre aquesta notícia i que vols aportar-hi la teva opinió personal. 41 Consulta la web http://www.hhmi.org/biointeractive/stemcells/animations.html i redacta un breu informe de 15 línies en què indiquis quins continguts no figuren entre els esmentats en el llibre. 42 Consulta la web http://learn.genetics.utah.edu/units/stemcells/sctypes/ i fes el test final.

Interpretació de dades 43 El mes de juny del 2005 el doctor sud-coreà Hwang va fer públic que havien aconseguit clonar embrions humans i havien obtingut 11 línies cel·lulars diferents. La notícia va produir un gran impacte en tota la societat, ja que en pràcticament tots els països està prohibida la clonació d’humans per respecte a la dignitat de la vida humana, concretament al dret de tota persona a procedir d’un pare i una mare en lloc de simplement ser el fruit d’un experiment. La polèmica va augmentar ja que no havia explicitat els detalls de la tècnica seguida i quan es va saber que havia utilitzat els òvuls de dues becàries del seu laboratori. Al mes de desembre va confessar que tot havia estat una mentida i va dimitir dels seus càrrecs a la Universitat de Seül. En el món científic la mentida no es disculpa i el desprestigi és tan gran que normalment implica haver d’abandonar la professió. A partir d’aquestes informacions, contesta les preguntes següents:

més abundants que els embrions de primats, que sí que estan autoritzats? c) Atès que en condicions naturals més de la meitat dels embrions preimplantatoris es perden, és a dir, s’avorten espontàniament, creus que és èticament acceptable la destrucció dels embrions no implantats? d) Quin avantatge ètic comporta treballar amb embrions congelats en els quals el pronucli masculí no s’ha arribat a unir amb el pronucli femení del futur zigot?

a) Creus que la comunitat científica és massa exigent i que hauria de ser més comprensiva amb temes que, en el fons, no comporten greus perjudicis ni a les persones ni als seus béns? b) Creus que totes les altres activitats humanes, com ara la política, el periodisme, l’administració de la justícia, el món dels negocis, etc., haurien de ser igual d’exigents amb els que no diuen la veritat? c) Per què creus que les informacions que ens aporten els científics són les més valorades per l’opinió pública? d) Per què quan un tema pot implicar el futur de grans empreses o enfrontar-se al poder dels governs les opinions dels científics estan més dividides? Què creus que s’hauria de fer per tenir una informació més objectiva? 44 En la legislació espanyola de 1998 i de 2003 (Llei 35/1998 i Llei 45/2003 de 21 de novembre, respectivament) es defineixen diferents aspectes sobre la reproducció assistida i la utilització d’embrions amb finalitat terapèutica i de recerca. Basant-hi, respon les preguntes següents: a) Atès que no és segur en quin moment es pot considerar un embrió humà com un nou individu, creus que és èticament acceptable la destrucció dels embrions no implantats? b) Per què creus que no s’autoritza l’ús d’embrions humans viables en la investigació amb finalitats terapèutiques, tot i que són

La reproducció i el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars

e) És la paternitat un dret prou irrenunciable per assumir la responsabilitat de generar embrions de futur incert, ja que no seran implantats? No seria més ètica l’adopció, o l’acolliment temporal, ja que hi ha tants infants abandonats en condicions d’extrema pobresa? f) Creus que és ètic voler tenir fills quan hi ha una alta probabilitat de transmetre’ls la mateixa incapacitat per engendrar? g) Podria ser una font de conflictes legals entre els pares i l’equip mèdic el naixement de fills amb anomalies? h) A què poden ser deguts els freqüents casos d’embarassos múltiples que s’han produït els darrers anys? Això comporta algun problema per a la mare o per als futurs fills? i) Es podria autoritzar la generació d’alguns individus amb característiques determinades per fer tasques concretes molt necessàries per a la humanitat?

265

Laboratori Observació de la fecundació en els musclos Material: ganivet de cuina acabat en punta, portaobjectes, cobreobjectes, cubeta de treball, pinces, dos comptagotes, dues agulles de cap o dues agulles amb mànec i microscopi òptic. Productes químics: aigua destil·lada i aigua de mar. Productes naturals: musclos (un de mascle i un altre de femella).

Durant els mesos de setembre a abril (els mesos el nom dels quals conté una lletra r), les gònades dels musclos comencen a augmentar de mida a causa de la producció i l’acumulació de gàmetes. Al final d’aquest període, o una mica abans, els gàmetes són alliberats al mar i les gònades disminueixen molt de mida. És per aquesta raó que aquests són els mesos més indicats per consumir musclos i altres tipus de marisc. Com que, segons quina sigui la temperatura de l’aigua i la variació d’altres factors, la maduració es pot endarrerir o la reproducció es pot avançar, el millor període per fer aquesta pràctica és el corresponent als mesos centrals, és a dir, els mesos de novembre, desembre i gener. Desenvolupament de la pràctica Cal seguir aquests passos: • Compra un quilogram de musclos per assegurar-te que disposes d’individus dels dos sexes. Els musclos han de ser frescos, i això ho pots reconèixer perquè estan tancats. Els pots obrir amb un ganivet de cuina de punta fina. Per fer-ho, introdueix la punta a la vora recta del musclo, per on surten els filaments del bissus, i amb la punta ben introduïda has de recórrer tota la vora de l’animal, de manera que tallaràs els dos músculs que mantenen les valves fortament tancades. Has de procurar que l’aigua de mar que contenen quedi a dins de l’animal obert. • Una vegada obert el musclo, les dues valves apareixen recobertes interiorment pel mantell, que és un teixit tou que presenta a les vores una banda muscular fosca fistonada. Al mig dels dos lòbuls del mantell hi ha la massa visceral, en la qual es poden diferenciar el peu, el bissus i una massa voluminosa anomenada bossa de putxinel·li, que conté les glàndules genitals. A l’època de la reproducció, les glàndules genitals Un cop oberts els musclos, podem distingir el sexe dels animals. augmenten molt de mida i acaben envaint el mantell, al qual donen una coloració diferent segons quin sigui el sexe de l’animal. • Els mascles es reconeixen perquè el mantell, la part del cos que queda enganxada a les valves, és d’un color blanquinós i homogeni (conté els microscòpics espermatozoides). En canvi, el mantell de les femelles és de color salmó i granulós; això és degut al fet que els òvuls són molt més grans que els espermatozoides. • Amb l’ajuda d’unes pinces has de trencar un tros petit del mantell d’una femella, que haurà d’estar recobert d’aigua de mar. Amb un comptagotes, agafa una mica del líquid rosat que s’ha format i diposita’n una gota al centre d’un portaobjectes, millor en un dels costats del centre. • Has de repetir l’operació anterior però ara amb el mantell d’un mascle. Has de fer servir un comptagotes diferent. Diposita’n una gota en el mateix portaobjectes, però al costat oposat on has dipositat la gota provinent de la femella. • Amb l’ajuda d’una agulla de cap, has d’establir un pont entre els líquids de totes dues gotes.

Practica 45 Observa les dues gotes i fes un dibuix de la forma dels òvuls i dels espermatozoides. Calcula quantes vegades és més gran el diàmetre de l’òvul que el diàmetre del cap de l’espermatozoide. 46 Observa la reacció dels espermatozoides. Fes un dibuix d’un òvul envoltat d’espermatozoides. Com deuen detectar els espermatozoides la presència d’òvuls a l’altra gota?

266

unitat 12

Índex analític α-glicosídic: 35 α-glucopiranosa: 33 α-hèlix: 65 α-queratines: 72 acetilcolina: 130 acetona: 17 àcid – acètic: 17 – desoxiribonucleic (DNA): 81, 82, 85 – esteàric: 46 – etanoic: 17 – glioxílic: 144 – hialurònic: 41, 126 – homogentícic: 195 – linoleic: 47 – nitrós: 218 – oleic: 47 – palmític: 46 – prostanoic: 55 – ribonucleic (RNA): 82, 91, 93 – biliars: 54 – grassos insaturats: 47 – grassos saturats: 46 – grassos: 46, 47, 48, 50 – nucleics: 82, 84, 152 acilglicèrids: 50 acridina: 218 acrosoma: 142 actina: 76, 129 acumulació de proteïnes: 141 adenilat ciclasa: 179 adenina (A): 82 adenosina: 83 adsorció: 24 agar: 40 agent – cancerígens: 233 – mitògens: 161 – mutàgens: 210, 218 al·lel: 194, 239 al·lopoliploïdies: 217 albúmines: 72 alcaloides: 143 alcaptonúria: 194 alcohol etílic: 110, 147 aldehid: 30 aldosterona: 55 alifàtic: 46 allargament del fus mitòtic: 166 amfigonia: 250 amfimixi: 253, 254 amfipàtic: 52 amfipàtiques: 48 amilopectina: 38 amiloplasts: 107, 147 amilosa: 38 aminoàcid: 60, 61, 64, 70, 91, 199, 201 – àcids: 61 – bàsics: 61 – essencials: 60 – hidrofòbics: 61 – no polars: 61 – polars: 61 – primaris: 60 – proteics: 62 aminoacilRNAt iniciador específic: 201 aminoacil-RNAt: 201 aminopurina: 218 amitosi: 99, 169 AMP cíclic (AMPc): 179, 203, 205 anafase: 164, 166 – I: 173 – II: 174 aneuploïdia: 216

àngstrom (Å): 102 anisogàmeta: 248 anisogàmia: 248 anòmers: 33 anteridis: 248 anterozoide: 248 anticos: 221, 229 – monoclonals: 233, 234 antígens: 229 antioncogens: 232 antiparal·leles: 86 antocianòsids: 41, 143 aparell: 10 – de Golgi: 99, 106, 140, 141 apoptosi: 160, 262 arquegonis: 248 àster: 99, 131 ATP: 130 – sintetases: 145 autoacoblament: 118 autogàmia: 245 autopoliploïdies: 217 autosomes: 155 Avery: 94 axó: 124 β-galactosidasa: 203 β-galactòsidpermeasa: 203 β-galactòsidtransacetilasa: 203 b-glicosídic: 35 b-glucopiranosa: 33 β-queratines o fibroïnes: 72 bacteris: 105, 191, 196, 227 bàlsam del Canadà: 110 banda – A: 130 – I: 130 – transversals clares: 130 – transversals fosques: 130 base – nitrogenades pirimidíniques: 82 – nitrogenades púriques: 82 – nitrogenades: 82 – pirimidíniques: 82 – púriques: 82 bastida proteica: 89 Beadle:195 bicapa lipídica: 52 bioelement: 15 – plàstics: 15 – primaris: 15 – secundaris: 15 biomolècula: 9, 18, 30 – inorgàniques: 9 – orgàniques: 9, 15 biosítensi proteica: 201, 205 bipartició: 170 blàstula: 255 blau de metilè: 110 bomba – de calci (Ca2): 122 – de protons (H): 122 – de sodi i potassi (Na  K): 122 bombolles de replicació: 189 botó sinàptic: 124 Bouin: 110 braç anticodò: 91 – cromosòmic: 153 bromuracil: 218 butà: 17 buté: 17 cadena – alifàtica: 17 – cíclica: 17 – de polinucleòtids: 86 – molecular: 39

– polipeptídica: 201, 202, 219 – respiratòria: 145 Cairns: 189 canals iònics: 121 càncer: 161, 232 capacitat – amortidora: 71 – funcional del nucli: 104 cara – cis: 140 – citoplasmàtica: 138 – de formació: 140 – de maduració: 140 – trans: 140 carbohidrats: 30 carbonat càlcic: 127 carboni: 16, 46, 64 – (element): 30 – α asimètric: 60 – anomèric: 33 carbonil: 30 cariocinesi: 99, 162, 164 cariogàmia: 249, 254 carioplasma: 99, 152 cariotip: 155 Carnoy: 110 carotenoides: 54 casquets polars: 131, 166 catalasa: 75, 144 catió: 13 càtode: 111 cavitat celomàtica: 255 cel·lobiosa: 36, 39 cèl·lula: 10, 98, 99, 100, 101, 103, 104, 105, 109, 119, 120, 129, 130, 160, – 2n: 160 – animal: 107, 108, 149 – diana: 178, 205 – diploide: 160 – eucariota: 10, 105, 106, 108, 203 – haploide: 160, 242 – intersticals: 139 – lliures: 101 – mare adultes: 260, 261 – mare embrionàries: 260, 261 – mare: 259, 260 – musculars: 129 – n: 160 – pluricel·lulars: 8 – procariota: 10, 105, 203 – reproductores sexuals: 171 – reproductores: 160 – somàtiques: 153, 160 – tridimensional esfèrica: 104 – vegetal: 107, 108, 149 cel·lulosa: 33, 37, 39 celoma: 255 celomats: 255 centre – A: 201 – acceptor: 201 – de sortida: 201 – dinàmic de la cèl·lula: 131 – E: 201 – organitzador de microtúbuls (COM): 131 – P: 201 – peptidil: 201 centríols: 107, 131 centròmer: 153 centrosoma: 106, 131 – amb centríols: 131 – sense centríols: 131 cerebròsids: 41, 53 cèrids o ceres: 51

cetona: 30 cicle – cel·lular: 148, 162, 164 – de Krebs: 145 – diplohaploide: 176, 242 – diploide: 176 – haploide: 155, 176, 194 – biològics: 176 – de reproducció sexual: 242 ciclines: 164 ciclopentà perhodrofenantrè: 54 cilis: 132, 180 cilisflegels: 107 cinases: 164 cinètida: 181 cinetocor: 153, 165 cinetosoma: 132 cistró: 219 citidina: 83 citocinesi: 162, 164, 167 – per estrangulació: 167 – per septe: 168 citodièresi: 167 citoplasma: 99, 100, 105, 128 citosina (C): 82 citosol: 105, 128, 150 citosquelet: 106, 128, 130, 131 citrul·linèmia: 228 clau genètica: 199 clon: 210, 259 clonació: 222, 259 – terapèutica: 261 clorofil·la: 146 cloroplasts: 99, 106, 107, 146, 147 coberta nuclear: 106 cobreobjectes: 109 codó d’iniciació: 201 coeficient de sedimentació de Svedberg: 93 cofactors de transcripció: 262 col·lagen: 72, 75, 126 col·linearitat: 199 col·lodió: 112 col·loides: 22 colesterol: 54, 118 collaret de perles: 152 colquicina: 157, 217 còpies del DNA: 186 complementàries: 86 complex – actiu: 201 – centriolar: 165 – d’iniciació de la transcripció: 197 – de Golgi: 99 – del porus nuclear: 150 – ribosomal: 201 – sinaptinènic: 173 – supramoleculars: 9 comportament amfòter: 61 compostos: 18 condrioma: 145 configuració – D: 60 – L: 60 conformació – globular: 67 – -β: 65 conjugació: 245 connexons: 120 conservants: 110 constant dielèctrica: 19 constricció primària: 153 control molecular: 164 corba de glucèmia: 43 corepressor: 204 corpuscle basal: 132

267

corrents endocel·lulars: 180 còrtex: 129 cortisol: 55 cos cel·lular: 124 cotransport: 122 crestes mitocondrials: 145 cri du chat: 215 Crick: 186 cristal·loides: 22 cromàtides: 153, 165 cromatina: 106, 148, 152 cromatografia: 79 cromonema: 152 cromoplasts: 147 cromoproteïnes: 73 cromosoma: 99, 130, 148, 150, 153, 154, 162 – acrocèntric: 154 – anafàsic: 153, 166 – combinacions a l’atzar: 177 – gegants: 153 – homòlegs: 155, 177 – metacèntric: 154 – metafàsic: 153 – metafàsics: 166 – plomosos: 153 – profàsic: 165 – sexuals: 155 – submetacèntric: 154 – telocèntric: 154 C-terminal: 64 cua de poli-A: 92, 198 cutina: 127 D-2-desoxiribosa: 32 dalton: 102 deleció: 211, 215 dendrites: 124 densitat: 19 dependència d’ancoratge: 161 desaminació: 213 desenvolupament: 164, 255 – directe: 257 – embrionari: 164, 255, 256, 262 – indirecte: 257 – postembrionari: 257 desinapsi: 173 desmosomes: 120 desnaturalització: 70 desoxiadenosina: 83 desoxicitidina: 83 desoxiguanosina: 83 desoxiribofuranosa: 32 desoxiribosa: 82 desoxitimidina: 83 despolarització: 124 despurinització: 213 dextrogir: 60 D-fructofuranosa: 33 diacilglicèrid: 50 diacinesi: 173 diàlisi: 25 diblàstics: 255 dictiosomes: 140 diferenciació cel·lular: 161, 162, 164, 205, 262, 262 difusió: 22, 121 – facilitada: 121 – simple a través de canals: 121 – simple a través de la bicapa: 121 – simple: 121 dihidrioxiacetona: 31 dihidrouridina: 91 dimers: 69 dimorfisme sexual: 248 dioiques: 248 dipèptid: 63 diploide: 194, 242 diploïdia: 155 diplosoma: 107, 131, 165 diplotè: 173

268

disacàrid: 30, 35 – d’interès biològic: 36 dispersions col·loïdals: 22, 128 disponibilitat d’espai: 161 dissolució: 22 – amortidores: 21 – tampó: 21, 23 diterpens: 54 divisió: 162 – cel·lular per mitosi: 153 – cel·lular: 160, 164, 172, 262 – directa: 99 – indirecta: 99 – longitudinal: 246 – múltiple: 170 – primària: 170 – reduccional: 172 – transversal: 246 DNA: 105, 219, 232 – altament repetitiu: 220 – bicaternari: 90 – circular: 90 – complementari: 225 – dels cromosomes: 153 – dels organismes eucariotes: 220 – doble hèlix: 86 – duplicació: 162, 186, 191, 192 – egoista: 220 – encebador: 188 – espaiador: 220 – estructura primària: 85 – estructura secundària: 86 – estructura terciària: 88 – filaments: 152 – lineal: 90 – -ligasa: 192, 214, 224 – moderadament repetitiu: 220 – monocaternari: 90 – nivell d’empaquetament: 88 – no repetitiu: 220 – nuclear: 85 – passatger: 222, 225 – plastidial: 146 – -polimerasa I: 192, 214 – -polimerasa: 188 – recombinant: 222 – satèl·lit: 220 – simple: 220 – superenrotllat: 88 – supernumerari: 90 domini estructural: 68 – en forma de bucle: 89 DPX: 110 D-ribosa: 32 D-ribulosa: 32 duplicació: 215 – bidireccional: 189, 191 – del DNA in vivo: 189 ectoderma: 255 ectoplasma: 180 efecte – amortidor: 61 – inhibidor: 161 – tampó: 21, 61 – Tyndall: 24 elastina: 72, 75, 126 electroforesi: 25, 79 electrons: 12 electroporació: 224 electropositiu: 13 embolcall nuclear: 106, 148, 150 – formació: 150 embrions clònics: 261 empaquetaments: 152 enantiomorfes: 31 encreuament: 173 endocitosi: 119, 124 endoderma: 255 endomitosi: 169 endonucleasa: 214 endoplasma: 180

endosimbiosi: 145, 147 endosoma: 125 endosquelet: 106 enginyeria genètica: 222, 227, 230, 236 enllaç – covalent: 13 – d’hidrogen: 14, 18, 65 – dicarbonílic: 35 – fosfoestèric: 84 – iònic: 13 – monocarbonílic: 35 – O-glicosídic: 35 – peptídic: 63 – Van der Waals: 14 – químic: 9, 13 enquistament: 180 enzim: 30, 74, 128, 195 – adenosina-desaminasa (ADA): 228 – peptidiltransferasa: 201 – polinucleòtid fosforilasa: 199 – de restricció: 222 – fotoreactius: 214 eosina: 110 eritrosa: 32 eritrulosa: 32 errors de lectura: 212 escissió: 246 esfingomielina: 53 esfingosina: 53 espai – intermembranós: 145 – perinuclear: 150 especificitat: 71 espliceosoma: 198 espora agàmica: 247 espora: 242 esporòfit: 176 esporulació: 170, 247 esqualè: 54 esquizocèlia: 255 esquizogònia: 170 èster: 47 estera: 54 estereoisòmers: 31 esteroides: 54 esterols: 54 estradiol: 55 estrangulació: 170 – del citoplasma: 167 estreptomicina: 41 estrobilació: 246 estructura – cristal·lina: 152 – quaternària: 69 – secundària en α-hèlix: 65 – secundària en conformacióβ: 66 – terciària: 67, 70 – cel·lulars: 113 – plomoses: 151 età: 17 etanamina: 17 etanol: 17 etilmetansulfonat (EMS): 218 eucaliptol: 54 eucromatina: 152 euploïdia: 216 Eurapal: 110 excitadors: 124 exocitosi: 119, 125, 140 exons: 92, 197, 219 exonucleasa: 214 expressió genètica: 203 expressió gènica en eucariotes: 205 extracel·lular: 142 factor VIII de la coagulació: 228 factor – d’iniciació: 201 – de creixement: 161

– de transcripció: 197 – epigenètics: 262 – proteics d’alliberació (FR): 202 fagocitosi: 125 fase – d’espermiogènesi: 251 – d’imago: 257 – de creixement: 251 – de larva: 257 – de maduració: 251 – de multiplicació: 251 – de proliferació: 251 – de pupa: 257 – G0: 162 – G1: 162 – G2: 162, 163 – M: 162, 164 – S: 162, 163 fecundació: 243, 252, 253 – externa: 252 – in vitro (FIV): 258 – influència de l’atzar: 177 – interna: 252 feix d’electrons: 111 feix de microtúbuls interzonals: 167 fenedura sinàptica: 124 fenilalanina: 77 fenilcetonúria: 228 fertilització: 253, 254 fialaments gruixuts: 129 fibra – de cromatina de 100 Å: 152 – de cromatina de 300 Å: 89 – de cromatina: 85 – contínues: 165 – cromosòmiques: 165 – de l’àster: 165 – musculars: 130 – polars: 165 – proteiques: 126, 181 fibrinogen: 76 fibronectina: 126 filament: 188 – conductor: 191 – d’actina: 130 – de desmina: 129 – de miosina: 130 – de queratina: 129 – de vimentina: 129 – intermedis: 100, 106, 128, 129 – nucleosòmic: 88, 152 – patró: 196 – retardat: 192 fissió cèntrica: 216 fissura: 170 fissuració: 170 fitol: 54 fixació: 110, 112 fixadors: 110 flagel·lina: 76 flagels: 132, 180 fluor: 17 font d’il·luminació: 109 força de cohesió: 19 forma – cèl·lular: 101 – circulars: 189 – condensada: 88 – en mitja lluna: 189 – en V: 189 – globular: 101 – laxa: 88 – mutant: 209 – tautomèriques: 212 formaldehid: 110 forqueta de replicació: 189, 191 fosfatidilcolina: 52 fosfatidiletanolamina: 52 fosfatidilserina: 52

fosfoesfingolípids: 53 fosfoglicèrids: 52 fosfolípids: 52, 118 fosfoproteïnes: 73, 74 fòsfor: 16, 46 fototactisme: 179 fragment d’Okazaki: 190, 192 fragmentació: 246 fragmoplast: 168 fructosa: 33 funció – biocatalitzadora: 55 – contràctil: 76 – de defensa: 76 – de relació cel·lular: 178 – de reserva energètica: 37, 55 – de reserva: 75 – de transport: 75 – enzimàtica: 75 – estructural: 37, 55, 75 – homeostàtica: 76 – homonal: 76 – nutritiva: 143 – protectora: 55 – reguladora de la pressió osmòtica: 143 – transportadora: 55 furan: 32 fus – acromàtic: 131 – anastral: 166 – astral: 166 – mitòtic: 165 fusió cèntrica: 216 gametangiogàmia: 249 gametangis: 248 gàmetes: 42, 171, 176, 242, 248 gametòfit: 154, 176 gametogàmia: 250 gametogènesi: 251 gangliòsids: 41, 53 Garrod, A. E.: 194 gàstrula: 255 gastrulació: 255 gel: 24 gelatina glicerinada: 110 gemmació: 125, 170, 246 gemmes pluricel·lulars: 246 gen: 8, 194, 195, 213, 219, 262 – al·lels: 177 – d’unió: 221 – de diversificació: 221 – dominant: 194 – estructurals: 203 – homeòtics: 262 – inserció: 224 – mutadors: 218 – recessiu: 194 – recombinació a l’atzar: 177 – reguladors: 203, 262 – sobreposats: 219, 221 – supressors: 232 – variables: 221 genètica mendeliana: 239 genoma: 222 – Humà (projecte): 235 – mínim: 208 genòmica: 222 geotactisme: 179 geotropisme: 179 geraniol: 54 girasa: 191 gliadina: 75 gliceraldehid: 17, 31 glicerina: 17, 50, 110 glicocàlix: 118 glicoesfingolípids: 53 glicolípids: 30 glicoproteïna: 41, 74 – de la membrana plasmàtica: 41 – sanguínies: 41, 74

glicogen: 33, 37, 39, 107 glicolípids: 41, 52, 118 glicoproteïnes: 41, 73, 74, 75 glicosaminglicans: 126 glicosilació – de lípids: 141 – de proteïnes: 141 glioxisomes: 144 globulines: 72 glúcids: 29, 30, 41 glucopiranosa: 33 glucoproteïnes: 30 glucosa: 33 – α : 34 glutaraldehid: 110, 112 glutenines: 72 gònades: 248 gonocòriques: 248 gradient – de concentració: 121 – elèctric: 121 – electroquímic: 121 grans d’aleurona: 142 greix: 50 – neutre: 50 Grunberg-Manago: 199 grup – àcid: 46 – carboxil: 46 – cetònic: 17 – hemo: 73 – prostètic: 73 guanina (G): 82 guanosina: 83 haploïdia: 216 helicasa: 191 helicoïndalment: 65 hèlix de col·lagen: 65 – estructura secundària: 66 hematoxilina: 110 hemimetàbol: 257 hemodiàlisi: 25 heparina: 41 heptà: 17 heptosa: 30 heptoses: 31 heterocromatina: 152 heterocromosomes: 155 heterogàmeta: 248 heterogàmia: 248 heteropolisacàrids: 37, 40 heteroproteïna: 72, 73 heteròsids: 41 hexà: 17 hexoses: 31, 33 hialoplasma: 128 hibridomes: 234 hidrats de carboni: 30 hidròfil: 40 hidròfila: 48 hidròfoba: 48 hidrogen: 16, 46, 64 – (element): 30 hidrolasa: 142 hidrolitzar: 30 hidroxil hemiacetàlic: 33 hidroxilamina: 218 hidroxiprolina: 66 hiperpolarització: 124 hipertònic: 22 hipòtesi – conservadora: 186 – de la col·linearitat: 196 – del lliscament: 181 – dispersiva: 186 – semiconservadora: 186, 187 hipotònic: 22 histones: 72, 85, 90, 192 hologàmia: 250 hololípids: 50 holometàbol: 257 holoproteïna: 72

homeòstasi: 8 homopolisacàrids: 37 hormona: 178 – del creixement: 76, 227 – esteroides: 55 – estimulant de la tiroide (TSH): 74 – estimulant del fol·licle (FSH): 74 – lipídiques: 205 – proteiques: 205 – sexuals: 55 – suprarenals: 55 idiograma: 155 immunofluorescència: 112 immunoglobulines: 76 implicacions ètiques (eng.gen): 236 impuls nerviós: 123 – propagació: 123 inclusió: 110, 112 inducció enzimàtica: 204 informació – biològica: 8, 152 – genètica: 85, 93, 152, 153 inhibidors: 124 inmonoglobulines: 74 inorgànics: 18 inosina: 91 inseminació artificial (IA): 258 insulina: 76, 227 intenció de guarir: 236 intercalació de molècules: 218 intercinesi: 174 interfase: 162, 172 interferó (IFN): 227, 233 intracel·lular: 142 introducció de gens: 222, 228 introns: 92, 197, 219 inversió: 215 – paracèntrica: 215 – pericèntrica: 215 ió: 119 – antagònics: 21 – negatiu: 13 – positiu: 13 iode: 17 isòcron: 181 isogàmetes: 248 isoleucina: 77 isòmers espacials. 31 isoprè: 17, 54 isoprenoides: 54 isotònic: 22 Jacob: 203 Kornberg: 188 lac: 227 lactosa: 36 làmina – fibrosa: 150, 166 – mitjana: 168 – nuclear: 150 – plegada: 66 leptotè: 173 lesions fortuïtes: 212, 213 leucina: 77 leucoplasts: 147 levogir: 60 levulosa: 33 lignina: 127 limfòcit: 234 – T citotòxics: 233 limonè. 54 línia Z: 130 lipasa: 75 lípid: 45, 46, 50, 55, 58 – complexos: 52 – de membrana: 52 – doble capa: 118 – insaponificables: 54 – saponificables: 50 – sense àcids grassos: 54

– simples: 50 lipoproteïnes: 73, 74, 75 lisina: 77 lisosoma: 100, 106, 140, 142 – primari: 142 – secundari: 142 – especials: 142 liti: 17 llevats: 223 lligament: 121 lligand: 179 llum: 138 – polaritzada: 34 – ultraviolada: 100 locus: 194 longevitat cel·lular: 104 lumen: 138 MacLeod: 94 macrogàmeta: 248 macromolècules: 9, 22, 102 maduració: 92, 201 – de proteïnes: 141 magnesi: 17 malaltia hereditària: 194 maltasa: 75 maltosa: 36 manganès: 17 manòmetre (nm): 102 mantega: 50 marcatge radioactiu: 112 massa – de cromatina: 150 – de ribonucleoproteïnes: 150 material – genètic (DNA): 100, 105, 148 – pericentriolar: 131, 165 maternitat substitutòria: 258 matriu: 127 – extracel·lular: 107, 126 – mitocondrial: 145 McCarthy: 94 mecanisme – de captació: 178 – de transducció: 178 – no biològics: 222, 224 medi – aquós exterior: 119 – aquós interior: 119 – de muntatge: 110 – englobador: 109 meiosi: 148, 160, 171, 172, 175, 177, 243, 262 – esporogènica: 176 – zigòtica: 176 meiòspora: 176, 242 membrana: 121 – cel·lular: 118 – de secreció: 106, 126 – doble: 150 – externa: 150 – interna: 150 – mitocondrial externa: 145 – mitocondrial interna: 145 – plasmàtica: 100, 105, 106, 118, 119 – plastidial externa: 146 – plastidial interna: 146 – unitària: 118 mentol: 54 merogàmia: 250 Meselson: 186, 187 mesoderma: 255 mesosomes: 105 metà: 17 metabolisme: 8, 98 metàcron: 181 metafase:164, 166 – I: 173 – II: 174 metàl·lic: 13 metamorfosi: 257 – complexa: 257

269

– progressiva: 257 – regressiva: 257 – senzilla: 257 metàstasi: 232 metionina: 77 mètode – de Feulgen: 154 – de terminació de la cadena per didesoxiribonucleòtids: 239 – de tinció doble: 109 – de tinció triple: 109 – didesoxi: 239 micel·la: 22, 48 – bicapes: 48 – monocapes: 48 micra (μ): 102 microcirurgia de trompes: 258 microfilaments: 100, 106, 128, 129 microgàmeta: 248 micrografies: 111 microinjecció: 224 micròmetre (μm): 102 microscopi: 113 – de contrast de fases: 100, 109 – de fons fosc: 109 – electrònic de rastreig (MES): 111 – electrònic de transmissió (MET): 111 – electrònic: 100, 112, 113 – òptic: 109, 110, 113 microscòpia: 100 – electrònica: 100, 111 – òptica: 99, 109 micròtoms: 110 microtúbul: 100, 106, 128, 130 – cinetocòrics: 165 – interzonals: 166 – polars: 166 mida – aparent (MA): 113 – real (MR): 113 midó: 33, 37, 38, 107 – granuls: 37 mieloma: 234 miofibril·les: 130 miofilaments: 181 miosina: 76, 129 missatge – biològic: 85 – genètic: 196 mitocondris: 99, 106, 145 mitoribosomes: 145 mitosi: 99, 148, 160, 162, 164, 175, 177 – anastral: 166 mitòspora: 242, 247 model del mosaic fluid: 118 modificacions de les bases nitrogenades: 218 molècula: 9, 12, 41 – amfipàtica: 118 – apolars: 13 – dipolars: 13, 18 – missatgeres: 178 – mobilitat: 118 – proteiques: 118 monoacilglicèrid: 50 monocistrònic: 92 Monod: 203 monoiques: 248 monòmer: 9 monoploïdia: 216 monosacàrids: 30, 31 monosomies: 216 monoterpens. 54 morfogènesi: 262 morfoplasma: 105 mòrula: 255 mostres: 109, 110, 112 moviment

270

– ameboides: 180 – contràctil: 129, 130 – contràctils: 181 – d’un cili: 181 – d’un flagel: 181 – de ciclosi: 180 – de lliscament: 181 – vibràtils: 180 mucines de secreció: 41 multipotents: 260 muntatge: 110 mutació: 209, 210 – cromosòmiques: 210, 215 – gèniques: 210, 211, 212, 214 – genòmiques: 210, 216 – germinals: 210 – induïdes: 210 – naturals: 210 – per inserció de nucleòtids: 211 – per pèrdua: 211 – per substitució de bases: 211 – puntuals: 211 – somàtiques: 210 mutarotació: 34 mutó: 219 neurofilaments: 129 neurona – postsinàptica: 124 – presinàptica: 124 neurotransmissors: 124, 178 neutrons: 12 nidació: 255 N-inicial: 64 Nirenberg: 199 nitrogen: 16, 46, 64 nivell – atòmic: 9 – cel·lular: 10 – d’empaquetament: 85 – de població: 11 – d’ecosistema: 11 – estructurals : 85 – molecular:9 – pluricel·lular: 10 – subatòmic: 9 nòduls de recombinació: 173 nombre d’augments: 113 nova biotecnologia: 222 nucleofilament: 88 nucleoide: 85, 105 nuclèol: 93, 106, 148, 151, 165 nucleoplasma: 106, 148, 150, 152 nucleoproteïnes: 73, 74 nucleòsid: 82, 83 nucleosomes: 88 nucleòtid: 82, 83, 85, 219 – d’una sola cadena: 85 – primer: 191 nucli: 98, 105, 106, 148, 149, 150 – en divisió: 148 – en interfase: 148 – en repòs: 148 – interfàsic: 162 nuclicel·lular: 148 nul·lisomies: 216 nutrició: 8 Ochoa, Severo: 199 octà: 17 ocular: 109 Okazaki: 190 oligoelements: 15, 17 oligopèptid: 63 oligosacàrids: 30 olis: 50 oncogen: 232 – src : 239 operó: 203, 204 – lac: 204 orceïna: 110 organismes transgènics: 230 Organització del Genoma Humà

(HUGO): 235 organitzador nucleolar: 153 organogènesi: 205, 255 orientació de les cromàtides: 165 osmosi: 22, 121 ovoalbúmina: 75 ovòtida: 251 oxidasa: 144 oxigen: 16, 46, 64 – (element): 30 paquitè: 173 parafina: 110 paret – bacteriana: 105 – cel·lular cel·lulòsica: 1668 – cel·lular: 126, 127 – de secreció gruixuda de cel·lulosa: 107 – de secreció rígida: 101 partenogènesi: 250 – sexual: 171, 242 partícules: 9 patró corporal: 262 pectina: 40 pentà: 17 pentàmers: 69 pentosa: 31, 32, 82 peptidoglicans: 41 pèptids: 63 permeases: 75, 121 perneabilitat selectiva: 121 peroxisomes: 100, 144 ph: 23 picogram: 102 pinocitosi: 100, 125 piran: 33 pirofucsina: 110 placa – cel·lular primerenca: 168 – cinetocòrica: 165 – equatorial: 166 plasmidi: 222 – bacterià: 222 – Ti: 223 plasmodesmes: 168 plasmodi: 149 plasmogàmia: 249 plasmolòsi: 22 plastidis: 147 plastoribosomes: 146 plasts: 107, 147 plectonímica: 86 pleuromitosi: 169 pluripartició: 170 pluripotents: 260 poder de resolució: 113 policistrònic: 92 poliembrionia: 247 polihidroxialdehids: 30 polihidroxicetones: 30 polímer: 9, 69 – d’aminoàcids: 60 polipèptid: 63, 64 poliploïdia: 217 poliribosoma: 133, 201 polisacàrids: 30, 37 polisomes: 133 politerpens: 54 pont: 131 – disulfur: 67 porfirina: 73 portaobjectes: 109 porus: 150 – nuclears: 150 potassi: 17 potencial – d’acció: 123 – de membrana: 122, 123 – de repós: 123 prefixació: 112 premetafase: 165 preparació

– permanents: 110 – temporals: 109 preRNAm: 92 pressió osmòtica: 22 primasa: 191 primer – cicle: 226 – corpuscle polar: 251 – missatger: 178, 179, 205 primera divisió meiòtica: 172, 173 procentríol: 163 procés – de fixació: 112 – de maduració del RNAm: 224 – de sexualitat: 242 – mitòtics: 246 – promotor: 233 profase: 164, 165 – I: 173 – II: 174 proflavina: 218 progesterona: 55 projecció de Haworth: 33 prolamines: 72 prolina: 66 promotor: 196, 197 propà: 17 propanal: 17 propanona: 17 propantriol: 17 prostaglandines: 55 protamines: 72, 90 proteïna: 59, 60, 64, 70, 72, 75, 80, 152, 198, 202 – activadora del catabòlit (CAP): 205 – de canal: 121 – desnaturalització: 80 – específiques: 71 – estabilitzadores (SSB): 191 – estructura primària: 64, 65 – estructura secundària en αhèlix: 65 – estructura secundària: 65 – extrínseques: 118 – filamentoses: 68, 72, 126 – G: 179 – globulars: 72 – homòlogues: 71 – integrals: 118 – intrínseques: 118 – no històniques: 85 – perifèriques: 118 – transmembranoses: 118 – transportadores: 121 proteoglicans: 41, 74, 126 proteomes: 222 proteòmica: 222 proteoplasts: 147 protòmer: 69 protons: 12 protooncògen: 239, 232 protoplasma: 99 prova – de biuret: 80 – xantoproteica: 80 pseudogens: 220 pseudòpode: 101, 107,128, 129, 180 punt – d’ancoratge: 119 – de fusió: 49 – de restricció: 162 – esoelèctric: 61 – R: 162 purina-nucleosid-fosforilasa (PNF): 228 queratines: 75 quiasmes: 173 quimiotactisme: 179 quitina: 37, 40 quitobiosa: 40

radiació: 233 – α (alfa): 218 – β (beta): 218 – de neutrons: 218 – ionitzants: 218 – mutàgenes: 218 – no ionitzants: 218 radical – hidrogen: 30 – hidroxil: 30 – polars: 70 raig – γ (gamma): 218 – ultraviolats (UV): 218 – X: 218 reacció: 179 – d’esterificació: 47 – de saponificació: 47 – en cadena de la polimerasa (PCR): 226 – en cascada: 178 reactiu de Fehling: 31 receptor: 179 – de la proteïna de canal: 121 – de membrana: 118, 120, 205 – de senyals: 178 – específics de membrana: 41 recombinació – genètica: 173, 242, 244 reconeixement cel·lular: 119, 120 regió – eucromàtiques: 154 – heterocromàtiques: 154 – lider: 201 – organitzadora nucleolar: 93 relació – cel·lular: 178 – nucloplasmàtica (RNP): 104, 149, 161 renaturalització: 70, 87 reparació – amb escissió del DNA: 214 – sense escissió del DNA: 214 replicons: 193 repressió – enzimàtica: 204 – per producte final: 204 repressores: 203 reproducció: 8, 171, 244, 251 – amb meiosi sense unió de gàmetes: 243 – asexual: 171, 177, 242, 244, 246 – assistida: 258 – cel·lular: 161, 170 – sense meiosi sense fecundació: 243 – sense sexualitat: 244 – sexual: 171, 177, 243, 248 – sexual: 242 – vegetativa: 246 respiració cel·lular: 145 resposta: 178, 179 – immunològica: 229, 233 reticle – endoplasmàtic agranular: 138 – endoplasmàtic llis (REL): 138, 139 – endoplasmàtic granular: 138 – endoplasmàtic rugós (RER): 138 – sarcoplasmàtic: 130 retinoblastoma: 232 retrotranscriptasa: 225 riboforines: 138 ribofuranosa: 32 ribonucleasa: 74, 75 ribonucleoproteïna petita nuclear (RNPpn): 198 ribosa: 82 ribosoma: 100, 105, 106, 133

– mitocondrials: 145 ribotimidina: 91 rizomes: 246 RNA: 219 – bicatenari: 91 – de transferencia (RNAt): 91 – heterogeni nuclear (RNAhn): 92, 198 – -lligases: 198 – missatger (RNAm): 91, 92, 201 – monocatenari: 91, 92 – nucleolar (RNAn): 91, 93 – petit nuclear (RNApn): 93, 198 – ribosòmic (RNAr): 91, 92 – soluble (RNAs): 91 rotífers: 98 sacarosa:36 safranina: 110 saponificació: 50 sarcòmer: 130 satèl·lit: 153 Schleiden: 99 segon – corpuscle polar: 251 – missatger: 178, 179, 205 segona divisió meiòtica: 172, 174 selecció natural: 210 senyal – d’iniciació: 191 – inductors: 262 septe: 170 – intracel·lular: 167 seqüencia – d’aminoàcids: 93 – d’inserció: 213 – de consens: 196, 197 – palindròmiques: 224 seroalbúmina: 75 sílice: 127 silici: 17 simples: 18 sinapsi: 124, 173 sincàrion: 254 síncit: 149 síndrome – de Down: 216 – de Turner: 216 síntesi: 152 – de DNA in vitro: 188 – de l’AMP cíclic: 179 – de les proteïnes: 133 – de polisacàrids: 142 sistema: 10 – adenilat ciclasa: 179 – de regulació: 203 – de reparació: 214 – de transducció de senyals: 178 – endocrí: 178 – nerviós: 178 – SOS: 214 – tampó – tampó bicarbonat: 23 – tampó fosfat: 23 sol: 24 solenoide: 89 solubilitat: 48, 70 solvatació iònica: 19 somatogàmia: 249 Stahl: 186, 187 suberina: 127 substància: 195, 143 – anticancerígenes:233 – composta: 12 – densa: 167 – específiques: 143 – fonamental amorfa: 126 – humanes: 227 – orgàniques: 21 – químiques mutàgenes: 218

– químiques: 161, 233 – simple: 12 substrat: 121 subunitat – gran: 133 – petita: 133 – ribosòmica gran: 201 – ribosòmica petita: 201 Sudan: 110 – III: 58 sulfats de condroïtina: 41 svedberg (S): 102 tannòsids: 41 Tatum: 195 tautòmers: 212 taxis: 179 T-DNA: 223 tècnica – de bandes cromosòmiques: 154 – de difracció de rajos x: 86, 113 – PCR: 226 telofase: 164, 166 – I: 173 – II: 174 telòmer: 153 tensió: 101 – superficial: 19 teràpia – cel·lular: 260, 262 – de la cèl·lula germinal: 227 – de la cèl·lula somàtica: 227 – de malalties humanes: 227 terminador: 197 termotactisme: 179 testosterona: 55 tètrada: 173 tetràmers: 69 tetrasomies: 216 tetraterpens. 54 tetroses: 31, 32 tetròxid d’osmi: 112 tigmotactisme: 179 tigmotropisme: 179 tilacoides: 146 timina (T): 82 tinció: 110, 112 tiroxina: 76 tonofilaments: 129 tonoplast: 143 topoisoremases: 191 totipotents: 259, 260 traducció: 93, 196 – de les proteïnes: 201 transcripció: 93, 196 transcriptasa inversa: 225 transcrit primari: 92 transducció: 223 – de senyals: 119 transferència – d’embrions a la trompa: 258 – d’oòcits a la trompa: 258 – embrionària (TE): 258 – intratubària de gàmetes: 258 – nuclear somàtica: 260 transferrina: 75 transformació: 222, 233 – cancerosa: 232 – neoplàstica: 232 transicions: 211 translocació: 215 – recíproca: 215 – ribosomal: 201 transport – actiu: 121, 122 – de proteïnes: 141 – passiu: 121 transposició: 212, 213, 215 transposons: 213 transversions: 211 treonina: 77

treosa: 32 triacilglicèrid: 50 triblàstics: 255 triglicèrid: 50 trioses: 31 tripèptid: 63 triplet: 131 – de nucleòtids: 199 tripsina: 75 triptòfan: 77 trisomies: 216 triterpens: 54 trombina: 76 trombosi: 41 tropisme: 179 tropomiosines: 130 tubercles: 246 tubulina: 130 túbuls sinuosos: 138 turgència: 22 – cel·lular: 143 ulls de replicació: 191 ultraestructures: 111, 113 ultramicròtoms: 112 uma: 102 undulipodis: 131, 132 unicel·lulars: 8, 244 unitat – d’estructura: 219 – de funció: 219 – de mesura en citologia: 102 – de transcripció: 196 – fisiològica: 99 – genètica autònoma: 99 – morfològica: 99 – svedberg (S): 93 uracil (U): 82 uridina: 83 vacúol: 99, 106, 107, 143 – digestiu: 125 – gran central: 107 – autofàgics: 142 – digestius: 142 – heterofàgics: 142 vacuoma: 143 valina: 77 vector: 222 – de clonació: 222 verd de metil: 110 vesícula: 138, 143 – de secreció: 140 – de transició: 140 – intercisternes: 140 – sinàptiques: 100 Virchow: 99 virus: 100, 120, 222, 223, 233 – de papil·loma humà: 232 – del sarcoma de Rous: 239 – oncogènic del sarcoma de Rous: 232 – oncogènics: 232 viscositat: 24 vitamina – A: 54 – D: 54 – E: 54 – K: 54 vitel: 255 voltatge: 121 vuit grànuls: 150 Watson: 186 xarxa – d’interaccions gèniques: 262 – de fibres de cel·lulosa: 127 – de proteïnes fibrilars: 152 xeroderma pigmentosum: 232 zeïna: 75 zigot: 172, 242, 252 zigotè: 173 zinc: 17 zwitterió: 61

271

Direcció artística: José Crespo Projecte gràfic: Coberta: CARRIÓ/SÁNCHEZ/LACASTA Interiors: Manuel García Il·lustració: Lluís Bogajo, Amadeu Blasco, Armand Muntés, Javier de la Hoz, David Cabacas, Carlos Aguilera Cap del projecte: Rosa Marín Coordinació de la il·lustració: Carlos Aguilera Cap de desenvolupament del projecte: Javier Tejeda Desenvolupament gràfic: Rosa María Barriga, José Luis García, Raúl de Andrés Direcció tècnica: Ángel García Encinar Coordinació tècnica: Francisco Moral Confecció i muntatge: Serveis editorials track 20 Correcció: Anna Rius, Lurdes Monguillot Documentació i selecció fotogràfica: Nieves Marinas Fotografies: A. Toril; Algar; C. Jiménez; GARCÍA-PELAYO/Juancho; I. Rovira; I. Sabater; J. C. Muñoz; J. I. Medina; J. Jaime; MICROS/J. M. Blanco; J. M.ª Barres; J. Soler; KAIBIDE DE CARLOS FOTÓGRAFOS; Krauel; M. Moreno; M. Pijuán; P. Esgueva; P. López - J. Fernández; Prats i Camps; PUIGDENGOLAS FOTOGRAFÍA; A. G. E. FOTOSTOCK/Claude Nuridsany&Marie Perennou, OXFORD MOLECULAR BIOP, San Rostro, Eric Grave, Professors P. Motta, Southern Illinois U., SuperStock, J & C Sohns, Andrew Syred, Biophoto Associates, Dr. Gary D. Gaugler, Steve Gschmeissner, A. Barrington Brown, P&R Fotos, Dr. Kari Lounatmaa, Michael Freeman, Dr. R. Dourmashkin, SPL, Dr. Gopal Murti, James Cavallini, Edward Kinsman, SciMAT, Dr. Jeremy Burgess, Science Source, Omikron, EYE OF SCIENCE, Don W. Fawcett, Alfred Pasieka, R. Matina, Michael Abbey, Ed Reschke, DEPT. OF MICROBIOLOGY, L. Willatt, East Angl, Jacob Halaska, Dennis Kunkel, Science Photo Library, Carolina Biological S., Manfred Kage, Dana Edmunds; CNRI DIFFUSION SARL/CNRI/INSTITUT PASTEUR, CNRI/DR. G. MURTI, CNRI/PHOTOTAKE, CNRI/Secchi-lecaque/Roussell-Uclaf, CNRI/DR. D. KUNKEL/PHOTOTAKE, CNRI/Pr CASTANO-OVERSEAS, CNRI/PrG Giménez Martin; CONTIFOTO/ VISA REPORTAGE/D. Brandelet; COVER/CORBIS SYGMA/Dung Vo Trung; COVER/SYGMA/ Bernard Annebicque, Brooks Kraft, James Andanson, Paul Romane, Tom Zimberoff; COVER; COVER/CORBIS/Science Pictures Limited; EFE/Jaume Sellart, IMIMB; J. L. Cereijido; EFE/AP PHOTO/Keith Weller; EFE/SIPA SANTÉ/F. Durand; EFE/SIPA-PRESS/A. Granne, Von Der Becke; EFE/SIPA-PRESS/SIPA; FOTONONSTOP; GETTY IMAGES SALES SPAIN/Visuals Unlimited/Dr. Richard G. Kessel, Photographer’s Choice/Michael Dunning, Visuals Unlimited/Dr. David Phillips, Visuals Unlimited/Dr. Dennis Kunkel, Stone/Ron Boardman; HIGHRES PRESS STOCK/AbleStock.com; I. Preysler; J. M.ª Barres; JOHN FOXX IMAGES; MELBA AGENCY; PHOTODISC; ATENEO, MADRID; Bargalló; Doctor Subirana y colaboradores; Dra. Mercedes Durfort Coll/ FACULTAD DE BIOLOGÍA DE BARCELONA; Dra. Nicole Angelier /Angelier/CNRS/BIOL. MOLEC. ET CELLUL. DU DEVELOPPEMENT/UNIV. P. ET. M. CURIE-GROUPE GENES ET DEVELOP; FEI Europe B.V.; Juan Luis Santos/Facultad Biología/Universidad Complutense de Madrid; M. Vives; MATTON-BILD; SERIDEC PHOTOIMAGENES CD; ARXIU SANTILLANA

© 2008 by Antonio Jimeno i Luis Ugedo © 2008 by Grup Promotor / Santillana Educación, S. L. d’aquesta edició Frederic Mompou, 11 (Vila Olímpica). 08005 Barcelona Imprès per

ISBN: 978-84-7918-334-9 CP: 917276 Dipòsit legal:

Qualsevol forma de reproducció, distribució, comunicació pública o transformació d’aquesta obra només es pot fer amb l’autorització dels seus titulars, llevat d’excepció prevista per la llei. Si en necessiteu fotocopiar o escanejar algun fragment, adreceu-vos a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org).