2 Batxillerat: Biologia

ÍNDEX


   1. Bloc 1: La base molecular i fisicoquímica de la vida. ►
1.1. Bioelements i principis immediats inorgànics. ►
1.2. Glúcids - Principis immediats orgànics. ►
1.3. Lípids - Principis immediats orgànics. ►
1.4. Proteïnes - Principis immediats orgànics. ►
1.5. Enzims i vitamines. ►
1.6. Àcids nucleics - Principis immediats orgànics. ►

2. Bloc 2: La cèl·lula viva. Morfologia, estructura i fisiologia cel·lular. ►
2.1. La cèl·lula, unitat estructural i funcional. ►
2.2. La membrana plasmàtica, el citosol i els orgànuls no membranosos.
2.3. Els orgànuls cel·lulars delimitats per membranes. ►
2.4. El metabolisme. ►
2.5. El catabolisme. ►
2.6. L'anabolisme. ►
2.7. La reproducció i la relació de la cèl·lula. ►

3. Bloc 3: Genètica i evolució. ►
3.1. Genètica Mendeliana.
3.2. L'ADN, portador del missatge genètic.
3.3. Les mutacions i l'enginyeria genètica.
3.4. L'evolució i la genètica de poblacions.

4. Bloc 4: El món dels microorganismes i les seves aplicacions. Biotecnologia.►

5. Bloc 5: L'autodefensa dels organismes. La immunologia i les seves aplicacions.►

 

---

Bloc 1: LA BASE MOLECULAR I FISICOQUÍMICA DE LA VIDA

Continguts

  Els components químics de la cèl·lula. Bioelements: tipus, exemples, propietats i funcions.
  Els enllaços químics: importància que tenen en biologia.
  Les molècules i els ions inorgànics: aigua i sals minerals.
  Fisicoquímica de les dispersions aquoses. Difusió, osmosi i diàlisi.
  Les molècules orgàniques: glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics.
  Enzims o catalitzadors biològics: concepte i funció.
  Vitamines: concepte i classificació.

Criteris d’avaluació / Estàndards d’aprenentatge avaluables

1. Determinar les característiques fisicoquímiques dels bioelements que els fan indispensables per a la vida.
   1.1. Descriu tècniques instrumentals i mètodes físics i químics que permeten l’aïllament de les diferents molècules,
    així com la contribució d’aquests procediments al gran avenç    de l’experimentació biològica.
   1.2. Classifica els tipus de bioelements i els relaciona amb la proporció que presenten i la funció biològica que fan.
   1.3. Discrimina els enllaços químics que permeten la formació de molècules inorgàniques i orgàniques presents en els éssers vius.

 2. Argumentar les raons per les quals l’aigua i les sals minerals són fonamentals en els processos biològics.
   2.1. Relaciona l’estructura química de l’aigua amb les funcions biològiques que fa.
   2.2. Distingeix els tipus de sals minerals i relaciona la composició de cada tipus amb la funció que fa.
   2.3. Contrasta els processos de difusió, osmosi i diàlisi i interpreta la relació d’aquests processos amb la concentració salina de les cèl·lules.

 3. Reconèixer els diferents tipus de macromolècules que constitueixen la matèria viva i relacionar-les amb les respectives funcions biològiques en la cèl·lula.
   3.1. Reconeix i classifica els diferents tipus de biomolècules orgàniques i en relaciona la composició química amb l’estructura que presenten i la funció que fan.
   3.2. Dissenya i duu a terme experiències amb les quals identifica la presència de diferents molècules orgàniques en mostres biològiques.
   3.3. Contrasta els processos de diàlisi, centrifugació i electroforesi i interpreta la relació d’aquests processos amb les biomolècules orgàniques.

 4. Identificar els tipus de monòmers que formen les macromolècules biològiques i els enllaços que els uneixen.
   4.1. Identifica els monòmers i distingeix els enllaços químics que permeten la síntesi de les macromolècules: enllaços O-glicosídic, èster, peptídic, N-glicosídic.

  5. Determinar la composició química de les principals biomolècules orgàniques, descriure’n la funció, localitzar-les i proporcionar-ne exemples.
   5.1. Descriu la composició i la funció de les principals biomolècules orgàniques.

 6. Comprendre la funció dels enzims com a biocatalitzadors i valorar-ne la importància biològica.
   6.1. Contrasta el paper fonamental dels enzims com a biocatalitzadors i en relaciona les propietats amb la funció catalítica que fan.

 7. Assenyalar la importància de les vitamines per al manteniment de la vida.
   7.1. Identifica els tipus de vitamines i associa la funció imprescindible que fan amb les malalties que prevenen.

---

1. Biolements i principis immediats inorgànics

1. Introducció a la Biologia
2. Components químics de la vida.
3. Bioelements: tipus.
4. Bioelements: exemples, propietats i funcions.
5. Els principis immediats: concepte i classificació
6. L'aigua: característiques, propietats i funcions.
7. Les sals minerals: característqiues, propietats i funcions.

1. Introducció a la Biologia.

El coneixement científic es basa en l'acumulació d'informació, que prové de l'observació i interpretació (teoria) de fets per tal de poder elaborar lleis que ens permetin explica esdeveniments generals.
La validesa d'aquetes teories i de les lleis estan sotmeses a una contínua comprovació per mitjà de les observacions. Així una teoria serà substituïda per una altra davant l'evidència de noves observacions.
Així eś com avança el saber científic: per cada problema resolt n'apareixen de nous i, per tant, cal seguir fent comporvacions.
La biologia és una ciència i, com a tal, compleix les característiques anteriors.

El mètode científic
Què és ciència? La ciència és una forma de coneixement de la realitat, del tot el que ens envolta. I el coneixement es basa en la curiositat.
La curiositat ens dur a l'observació d'uns fets. Ens formam una idea dels fets observats i n'elaboram un esquema lògic, una hipòtesi que intenti explicar els fets. La certesa de la hipòtesi la comprovam amb l'experimentació.
Les hipòtesis científiques han de complir una condició imprescindible: han de permetre deduir conseqüències o elaborar prediccions que puguin ser comprovades experimentalment. Una hipòtesi comprovada experimentalment assoleix el rang de teoria, la qual serveix per explicar fenòmens semblants a l'estudiat.
La ciència només es limita a aquelles coses, fets o processos que poden ser captats directament pels sentits o per instruments que suposin una amplificació del sentits. La ciència mai no pot fer judicis de valor com ara si un fet és bo, dolent, just o bonic. Aquestes valoracions corresponen a altres disciplines com ara l'ètica o l'art.

La ciència de la Biologia
Tot i que l'interès dels humans pels éssers vius des de molt antic, el terme biologia fou proposat al 1800.
Aquesta paraula es forma dels termes grecs bios (que significa vida) i logos (que significa coneixement- ciència).
Per tant, la biologia és la ciència que estudia els éssers vius.
En els seus inicis era una ciència descriptiva, per passar a ser analítica i funcional (anatomia i fisiologia) per finalment convertir-se en interdisciplinària fent servir conceptes i maneres de fer d'altres ciències com ara la física, la química o les matemàtiques, donant una visió més àmplia de la realitat. La biologia intenta donar resposta a les preguntes més important que es poden plantejar sobre els éssers vius:
- Qui o quines...? (biologia descriptiva) Quina estructura..., quin òrgan..., quines espècies?
- Com...? (biologia funcional) Com funciona...?
- Per què? (biologia evolutiva) per trobar les causes de les caraterístqiues i les adaptacions particulars.

Els signes de la vida
La biologia és l'estudi de la vida. Però, què és la vida? Definir la vida presenta dificultats, ja que es tracta d'explicar el fenomen més complex i misteriós de la naturalesa. La vida no existeix per si mateixa; no hi ha vida, només éssers vius. No hi ha cap manera de marcar una línia entre el que és viu i el que no és viu, però sí existeixen certes propietats que permeten diferenciar les éssers vius dels objectes inanimats:
- Els éssers vius tenen una composició química similar (bioelements, biomolècules).
- Els éssers vius s'estructuren en cèl·lules, que ssón unitats anatòmiques, fisològiques i heretables, pròpies únicament dels éssers vius.
- Els éssers vius estan molt organitzats: àtoms, molècules, orgànuls, cèl·lules, teixits... Els objecte inanimats no poden arribar a aquest grau de complexitat.
- Els organismes vius són homeostàtics. Inverteixen energia en mantenir un medi intern estable que pot ser molt diferents del medi extern que els envolta.
- Els organismes vius assimilen matèria: creixen i es desenvolupen. Un mineral – cristall el creixement es fa només per acumulació, sense transformació de la matèria.
- Els éssers vius capten energia de l'ambient i la transformen. Eneergia química dels aliments es transforma en energia tèmica o cinètica en el moviment.
- Els organismes vius responen a estímuls.
- Els éssers vius es reprodueixen.

2. Components químics de la vida. Bioelements.
2.1. Nivells d'organització de la matèria viva

1.1 Nivell subatòmic
Protons, neutrons i electrons presents en diferents nombre per formar els diferents elements.

1.2 Nivell atòmic
Unitat elemental de la matèria.
De tots les elements que existeixen els que formen la matèria viva s'anomenen bioelements o elements biogènics (bio – vida, gènic – origen).

1.3 Nivell molecular
Organització de la matèria que resulta de la unnió de diversos àtoms mitjançant enllaços químics. Les molècules que formen els éssers vius estan formades per bioelemnts i per tant s'anomenen biomolècules.
Les biomolècules les podem classificar en:

1.3.1 Precursores: es troben al començament de la síntesi de la majoria de composts (H20, C02, O2,...)
1.3.2 Intermediàries: biomolècules senzilles que formen part o són intermediàries en moltes rutes metabòliques. (àcid pirúvic, àcid làctic, àcid acètic, acetilCoa,...)
1.3.3 Monòmers essencials: monosacàrids (glucosa, fructosa), aminoàcids, àcids grassos, glicerina, nucleòtids.
1.3.4 Principis immediats: glúcids, lípids, proteïnes, àcids nucleics.
1.3.5 Macromolècules i complexos supramoleculars: glucolípids, lipoproteïnes, nucleoproteïnes.
1.3.6 Orgànuls cel·lulars:

1.5 Nivell d'organisme
Ésser viu format per una o més cèl·lules que actuen de manera coordinada per fer possible les seves activitats i funcions.
Tipus d'organismes:

1.5.1 Segons el tipus de cèl·lules:
- Organismes procariotes
- Organisme eucariotes

1.5.2 Segons el nombre de cèl·lules:
- Organismes unicel·lulars: éssers vius contituïts per una sola cèl·lula. En algunes espècies d'organismes unicel·lulars, molts individus viuen units i coordinats els uns amb els altres, però mantenint una vida independent, formant un conjunt que s'anomena colònia.
- Organismes pluricel·lulars: éssers vius contituïts per una gran diversitat de cèl·lules que actuen de manera coordinada.
Teixit: conjut de cèl·lules iguals i d'origen comú que fan una mateixa funció.
Òrgan: estructura formada per diversos teixits que té unes funcions específiques dins de l'organisme.
Aparell: conjunt d'òrgans d'origen generalment comú, especialitzats a dur a terme una funció concreta (A. digestiu, circulatori). Quan els òrgans estan formats fonamentalment per un sol teixit, anomenen sistema (S. nerviós, endocrí).

Classificació dels organismes: 5 regnes (Whittaker)
- Moneres: procariotes, unicel·lulars. (Bacteris)
- Protoctists: eucriotes, unicel·lulars o pluricel·lulars, autòtrofs o heteròtrofs. (Protozous i algues: es troben en ambients aqüàtics d'aigua dolça o salada,, poden ser verdes, brunes o vermelles, formen part del fitoplàncton, no tenen divisió del treball de les seves cèl·luless, no tenen teixits).
- Fongs: eucariotes, unicel·lulars (llevats) o pluricel·lulars (floridures, ascomicets, basidiomicets), són heteròtrofs (una part important són sapròfits, alguns viuen en simbiosi- llevats, altres són paràsits), no tenen autèntics teixits.
- Vegetal: eucariotes, pluricel·lulars amb teixits diferenciats, autòtrofs fotosintètics, paret cel·lular formada per cel·lulosa.
- Animal: eucariotes, pluricel·lulars, heteròtrofs.

1.6 Nivell població
Conjunt d'individus de la mateixa espècie que coincideixen en l'espai i el temps.

1.7 Nivell ecosistema
Conjunt d'èssers vius (biocenosi) que habiten en un lloc (biòtop), les relacions que s'estableixen entre ells i la seva interacció amb el medi que els envolta.

2.2. Àtoms, molècules i els seus enllaços

- Elememt químic: substància que no es pot descompondre, formada per un sol tipus d'àtom (118 elements)
- Àtoms: la part més petita d'un element. Format per protons, neutrons i electrons. N atòmic: n electrons. N màssic: n protons + n neutrons.
- Molècula: unió de dos o més àtoms.
- Substància composta: susbtància formada per dos o més elements que es poden seperar per reaccions químiques.
- Enllaç químic: unió entre àtoms, molècules o ions.

- Enllaç iònic: atracció elèctrica entre un àtoms que capten e i altres que perden e. Té lloc entre àtoms molt electronegatius i molt electropositius.
- Enllaç covalent: àtoms que comparteixen e, és un enllaç molt fort.

Molècules apolars: entre àtoms d'electronegativitat semblant
Molècules polars o dipolars: àtoms que atreuen més cap a ell els e i formen un pol positiu i un negatiu.

- Enllaç d'hidrogen o pont d'hidrogen: quan un àtom d'H s'uneix a elements molt electronegatius (O, N, F). És un enllaç dèbil.
- Enllaç per forces de Van der Waals: té lloc entre molècules apolars o entre grups apolars d'una mateixa molècula.

3. Bioelements: tipus, exemples, propietats i funcions.

- Bioelements primaris: són els elements imprescindibles per a formar les biomolècules (glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics); són els esmentats anteriorment (C, H, O, N, P, S) i són clarament majoritaris. El 90% correspon a l'oxigen (62%), carboni (20%) i hidrogen (10%); l'elevat percentatge d'hidrogen i d'oxigen s'explica pel fet que la matèria viva és constituïda principalment per aigua (H2O). La presència dels altres bioelements primaris s'explica perquè les seves propietats són les idònies per a formar matèria viva:

- Són elements lleugers, de per atòmic baix.
- Són capaços de formar enllaços covalents de gran estabilitat.
- Atès que l'oxigen i el nitrogen són molt electronegatius donen lloc a molècules dipolars, que es dissolen bé en aigua el que facilita les reaccions metabòliques.
- El carboni, l'oxigen i el nitrogen poden compartir més d'un parell d'electrons, formant enllaços dobles, el que els dota d'una gran versatilitat.
- S'aconsegueixen amb facilitat perquè són abundants a les capes més externes de la Terra.

- Bioelements secundaris: són tota la resta d'elements químics que es troben a la matèria viva. Quatre són relativament abundants (sodi (Na), potassi (K), magnesi (Mg), calci (Ca); la resta es presenten en molt baixa proporció i reben el nom d'oligoelements.

- Els elements rars o oligoelements: que es troben en proporcions insignificants, tenen un paper imprescindible des del punt de vista biològics. Podem esmentar: el ferro (Fe), coure (Cu), iode (I) o el cobalt (Co).

3.2 Per la seva funció:

- Plàstics: C, H, O, N, S.
- Esquelètics: Ca, Mg, F.
- Energètics: H, O.
- Osmòtics: Cl, Na, K.
- Catalítics: Mn, I, Cu, Co.

4. Bioelements: exemples, propietats i funcions.

4.1 Carboni
Si descontem l'oxigen i l'hidrogen de l'aigua, el carboni és, de llarg, l'element més abundant als éssers vius (el segueix de lluny el nitrogen, amb el 3%). La seva abundància a la matèria viva s'explica per les seves propietats:
- Té quatre electrons a l'últim orbital el que fa que tingui gran capacitat per a formar enllaços covalents estables amb altres carbonis; els enllaços poden ser simples (C-C) i dobles (C=C) (rarament triples a la matèria viva), i formar anells i llargues cadenes estables, ramificades o no (macromolècules). Segons el nombre d'àtoms de carboni, d'enllaços simples i/o dobles i la presència o no d'anells, cada macromolècula té propietats diferents, de manera que, virtualment, poden existir un nombre il·limitat d'elles.
- Gran capacitat per a unir-se a l'hidrogen, oxigen, nitrogen i sofre, augmentant enormement la possibilitat de crear nous grups funcionals (carbonil (C=O), alcohol (C-OH), carboxil (COOH), amina (C-NH 2 ), sulfhidril (C-SH), etc.) que, junt amb la propietat anterior, origina una extraordinària diversitat de compostos orgànics.
- Degut a la configuració tetraèdrica dels enllaços de l'àtom de carboni, els diferents tipus de molècules orgàniques tenen estructures tridimensionals diferents, de manera que una mateixa molècula, depenent de la posició a l'espai dels seus àtoms, té propietats físico-químco-biològiques diferents, multiplicant així el nombre de compostos amb activitat biològica (per exemple, els estereoisòmers dels monosacàrids).

Per tots aquests motius, la matèria viva està composta majoritàriament per molècules formades per un esquelet principal d'àtoms de carboni units entre si que, al seu torn, estan enllaçats amb àtoms d'hidrogen, oxigen i nitrogen. El sofre hi intervé en molta menys proporció, unit també directament a àtoms de carboni; el fòsfor està sempre en forma de fosfat inorgànic (PO 4–3 ) i no s'enllaça directament al carboni.

4.2 Hidrogen
A part de ser un dels components de la molècula d'aigua, l'hidrogen té una gran facilitat per formar enllaços covalents amb el carboni, prou forts per ser estables, però no tant per impedir-ne la ruptura, possibilitant així la síntesi d'altres molècules. De fet, a les llargues cadenes de carboni, l'hidrogen "omple" els enllaços que li queden lliures al carboni; l'exemple més evident són els àcids grassos, que són llargues cadenes d'hidrocarburs (hidrogen + carboni) amb un grup carboxil inicial.
L'hidrogen es combina també amb l'oxigen per a formar el grup hidroxil, molt estès en totes les biomolècules, ja sigui formant el grup alcohol (en glúcids, esteroides, aminoàcids, etc.) o formant part del grup carboxil (àcids grassos, aminoàcids, grups fosfat, etc.).

4.3 Oxigen
L'oxigen, també component de l'aigua, és el bioelement més electronegatiu (amb excepció del fluor que és molt poc abundant). Això el fa idoni per arrencar electrons a altres àtoms, és a dir, per oxidar-los; cosa que comporta l'alliberament d'energia que pot ser aprofitada per la cèl·lula, per exemple, en la respiració aeròbica, que és la forma més estesa d'obtenir energia per part dels éssers vius.
L'esquelet bàsic carboni-hidrogen de les biomolècules és apolar, per la qual cosa és insoluble en aigua; la presència d'oxigen fa que les cadenes fetes de carboni i hidrogen siguin polars i esdevinguin solubles en aigua, cosa imprescindible perquè es duguin a terme les reaccions metabòliques.

4.4 Nitrogen
El nitrogen, d'igual manera que el carboni i el sofre, mostra una gran facilitat en formar compostos tant amb l'hidrogen (com l'amoníac, NH 3 ) com amb l'oxigen (NO 2– , NO 3– ) el que permet la transformació d'una forma a l'altra amb alliberació d'energia. El nitrogen es troba principalment formant part del grup amino (-NH 2 ) dels aminoàcids (components de les proteïnes) i de les bases nitrogenades (components dels àcids nucleics). Cal destacar que, malgrat la gran abundància de nitrogen gas a l'atmosfera (N 2 ), molt pocs organismes són capaços d'aprofitar-lo; gairebé tot el nitrogen de la biosfera s'incorpora a partir de nitrat (NO 3– ) inorgànic, per acció de les algues i les plantes.

4.5 Sofre
El sofre es troba bàsicament en forma de radical sulfhidril (-SH) en alguns aminoàcids (com la cisteïna) i coenzims (per exemple, el coenzim-A). Els sulhidrils de la cisteïna poden formar ponts disulfur entre si, enllaços covalents forts que són clau en l'establiment de l'estructura terciària plegada de moltes proteïnes.

4.6 Fòsfor
El fòsfor es troba sempre en forma inorgànica, com a àcid ortofosfòric (H 3 PO 4 ) o alguna de les seves formes dissociades (fosfats: (H 2 PO 4– , HPO 42– , PO 43– ), combinades amb molècules orgàniques (com els fosfolípids de les membranes cel·lulars, i els nucleòtids de l'ADN i ARN). Cal destacar que els fosfats poden establir enllaços rics en energia (com a l'ATP), essent claus en l'intercanvi d'energia que es du a terme en el metabolisme. Les sals de l'àcid fosfòric (com el fosfat càlcic) formen part dels ossos dels vertebrats i dels esquelets calcaris d'alguns invertebrats.

5. Biomolècules o principis immediats

Biomolècules: molècules formades per la combinació de bioelements i poden aïllar-se per mitjans físics:

- Inorgàniques: no són exclusives dels éssers vius. Aigua i sals minerals.
- Orgàniques: exclusius de la matèria viva. Glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics.

- Centrifugació: utilitzant centrifugadores es sotmet a la mostra a forts camps gravitatoris i ś possible seperar les estructures grans de les menudes.
- Diàlisi: una membrana semipermeable que només deixa passa molècules menudes ens permet seperar partícules de diferent massa molecular.
- Cromatografia: en un medi fix immiscible (fase estacionària) és fa passar el fluid o fase mòbil.

Segons el tipus de fase estacionària tenim: cromatografia en capa fina - sòlida, cromatografia en columna - líquida en columna, HPLC cromatografia líquida d'alta resolució.
Si el fluid és un gas tenim una cromatografia de gasos

- Electroforesi: transport de partícules a través d'un gel gràcies a l'acció d'un camp elèctric.

- Espectofotometria:

6. Aigua - Biomolècula inorgànica

La vida, tal com es coneix en la Terra, es desenvolupa sempre al medi aquós.
Fins i tot en els éssers no aquàtics el medi intern és bàsicament hídric.
La immensa majoria de les reaccions bioquímiques es desenvolupen en l’aigua i obeeixen les lleis fisicoquímiques de les dissolucions aquoses.
Per tot això no és d’estranyar que l’aigua sigui la susbtància química més abundant en la matèria viva (humans 63%).
Hi ha relació directa entre el contingut en aigua i l'activitat fisisològica d'un organisme (teixit nerviós 85%, teixit ossi 20%)
L'aigua pot trobar-se en la matèria viva de tres formes:
- Circulant: sang o saba (8%)
- Intersticial: entre les cèl·lules (15%)
- Intracel·lular: citosol i orgànuls cel·lulars (40%)

Propietats de l'aigua:

1. Dipol       

La molècula d’aigua té un marcat caràcter dipolar. Encara que té una càrrega total neutra (posseeix el mateix nombre de protons i d’electrons), presenta una distribució asimètrica dels seus electrons: al voltant de l'O es concentra una densitat de càrrega negativa (δ-) degut al fet que és un element molt més electronegatiu que l'H, per això els nuclis d'H queden nus, desproveïts parcialment dels seus electrons i manifesten, per tant, una densitat de càrrega positiva (δ+).
Aquest caràcter dipolar de la molècula d’aigua és de transcendental importància i té múltiples conseqüències: la més rellevant és que es poden establir interaccions dipol- dipol entre les pròpies molècules d’aigua formant unions electrostàtiques anomenades ponts o enllaços d’hidrogen: la càrrega parcial negativa de l'O d’una molècula exerceix atracció electrostàtica sobre les càrregues parcials positives dels àtoms d'H d’altres molècules adjacents. Encara que són unions febles, el fet que al voltant de cada molècula d’aigua es disposin altres 3 molècules unides per ponts d’hidrogen permet que es formi en l’aigua (líquida o sòlida) una estructura reticular, responsable del seu comportament anòmal i de la peculiaritat de les seves propietats fisicoquímiques. Totes les restants propietats de l’aigua són, doncs, conseqüència d’aquesta.
   

2. Alta força de cohesió i adhesió.
L’aigua posseeix una elevada força de cohesió entre les seves molècules. Els ponts d’H mantenen a les molècules d’aigua fortament unides, formant una estructura compacta que la converteix en un líquid gairebé incomprensible. Gràcies a aquesta propietat alguns éssers vius utilitzen l’aigua com esquelet hidrostàtic. Aquesta força també evita que els fluxos vasculars s’interrompin.

3. Alta tensió superficial

4. Ample marge de temperatures en què es troba en fase líquida.
L'aigua és l'única substància que existeix a temperatura ordinària en Els Tres ESTATS de la matèria: Solid, líquid i gas.
L’ample marge de temperatures en que es troba en fase líquida (0ºC-100ºC) proporciona variades possibilitats de vida, des dels organismes psicròfils que poden desenvolupar-se a temperatures pròximes a 0ºC, fins als termòfils que viuen a 70ºC-80ºC.

5. Elevat calor específic
L’aigua posseeix una elevada calor específica (calor necessari per elevar 1ºC la temperatura de 1g).
Es denomina calor específica a la capacitat d’emmagatzemar energia per a un augment determinat de la temperatura: l’aigua pot absorbir grans quantitats de calor, mentre que, proporcionalment, la seva temperatura només s’eleva lleugerament. De la mateixa manera, la seva temperatura descendeix amb més lentitud que la d’altres líquids a mesura que va alliberant energia al refredar-se.
L'aigua és un bon regulador tèrmic.
     

6. Elevat calor de vaporització
Per a passar d'estat líquid a gasós fa falta trencar tots els ponts d'hidrogen, procés que requereix molta energia. (Per vaporitzar 1g d'aigua es necessiten 536 cal)
L'aigua és una bona susbtància refrigerant.
   

7. Densitat més alta en estat líquid que en estat sòlid
Amb una densitat màxima a 4ºC, determina que el gel floti en l’aigua líquida actuant com aïllant tèrmic i, en conseqüència, possibilitant el manteniment de la gran massa d’aigua dels oceans en fase líquida albergant a la major part de la Biosfera.
 

8. Baix grau d'ionització
 
Dues molècules d’aigua es poden ionitzar gràcies a forces d’atracció per ponts d’hidrogen que es formen entre elles: un ió hidrogen (H+) d’una molècula es dissocia del seu àtom d’oxigen al qual es troba unit covalentment i passa a unir-se amb l’àtom d’oxigen d’altra molècula, amb la qual mantenia contacte mitjançant l’enllaç d’hidrogen. Per això, l’aigua no és un líquid químicament pur, ja que conté alguns ions H+ i OH-.
Es pot considerar una barreja de:

En realitat aquesta dissociació és molt feble en l’aigua pura, concretament en 1litre d'aigua a 24ºC trobam 10-7 mols de H+ i 10-7 mols OH-. El baix grau d'ionització és degut a què l'àtom H és un apartícula molt petita i està fortament unit a l'àtom d'O.


Per a simplificar els càlculs Sorensen ideà expressar aquestes concentracions mitjançant logaritmes, i definí el pH com el menys logaritme de la concentració d’hidrogenions.
pH = - log 10 (H+)

Segons això tenim:
- dissolució neutra pH = 7
-  dissolució àcida pH < 7 (dissolució amb molts hidrogenions lliures)
- dissolució bàsica pH > 7 (dissolució amb pocs hidrogenions lliures)
A la figura s’assenyala el pH de algunes solucions. En general cal dir que la vida es desenvolupa a valors de pH pròxims a la neutralitat


9. Elevada constant dielèctrica.
A causa de la seva constant dielèctrica elevada l’aigua dóna lloc, més que cap altre solvent, a la dissociació electrolítica. Els ions, i en particular els cations (sobretot els petits) s’envolten de molècules d’aigua. La solvatació es produeix, o bé per formació d’enllaços hidrogen (cas dels anions) o de coordinació (cas de l’ió H⁺ que dóna H₃O⁺), o bé per simple atracció electroestàtica entre l’ió i el dipol de l’aigua. En les reaccions de descomposició l’aigua, sota la influència de substàncies àvides d’oxigen o d’hidrogen, es descompon alliberant un dels seus components.

Funcions de l'aigua

1. Gran dissolvent (Propietats 1, 4, 8 i 9)
Gran capacitat de dissolució. L’aigua és el líquid que més substàncies dissol (dissolvent universal). Aquesta propietat, tal vegada la més important per a la vida, es deu a la seva capacitat per a formar ponts d'H, amb altres molècules d’aigua (com ja s’ha dit) i amb altres substàncies polars (grups –OH d’alcohols i sucres, grups -NH2d’aminoàcids, proteïnes, àcids nucleics, etc.), doncs es dissolen quan interaccionen amb les molècules de l’aigua. A més, el fet d’ésser una molècula dipolar li confereix una elevada capacitat dielèctrica, és a dir molta facilitat per a rompre l’enllaç iònic de les sals, el que fa que es dissolguin.
 

Hi ha tres tipus de substàncies si considerem el seu comportament respecte a l’aigua:
- Polars (hidròfiles): hi són solubles

- Substàncies no polars (hidròfobes). No són solubles. Tenen tendència a unir-se entre elles tot excloent l’aigua. Formen emulsions (definitives o transitòries). Ex: oli.

- Substàncies amfipàtiques: es tracta de molècules que posseeixen en la seva estructura grups polars i no polars. Se solubilitzen mitjançant la formació de micel·les o bicapes lipídiques. Ex: àcids grassos , fosfolípids.

2. Funció de transport (Propietats 2,3 i 4)
A causa de la seva gran capacitat de dissolució és el mitjà de transport de les substàncies i és el medi on tenene lloc quasi totes les reaccions metabòliques.

3. Vehicle d'excreció (Propietats 2,3 i 4)
És el mitjà de transport de substàncies de rebuig de l’organisme (orina i suor).

4. Funció bioquímica (Propietats 1, 4, 8 i 9)
Intervé en nombroses reaccions químiques. Reaccions d'hidròlisi o en la fotosíntesi.
AB + HOH ⇌ AH + BOH

5. Funció estructural (Propietats 2 i 3)
L'hidroesquelet consisteix en una cavitat plena de fluid, celòmic pseudocelòmic, envoltada de musculs.
Els esquelets hidrostàtics tenen un rol en la locomoció dels equinoderms (estrelles de mar, eriçons de mar), anèl·lids, nematodes i altres invertebrats.
El hidroesquelet té similituds amb els músculs hidrostàtics.
És característic d'organismes celomats com els anèl·lids. Aquests animals poden moure's contraient els músculs que envolten la borsa de fluids, creant una pressió dins de la mateixa que genera moviment. Alguns cucs de terra usen el seu esquelet hidrostàtic per canviar de forma mentre avancen, contraient i dilatant el seu cos. Dóna forma i volum a les cèl·lules. Quan les cèl·lules perden aigua, perden la turgència (veure sals minerals).

6. Funció lubricant (Propietats 2 i 3)
Quan l’aigua dissol substàncies, produeix diverses substàncies amb la viscositat adient per actuar de lubricants, per amortir els moviments bruscs en les articulacions, músculs i tendons, i també per adquirir flexibilitat.
Les articulacions mobils com les bosses de líquid sinovial per a evitar la fricció entre els ossos.

7. Funció termoreguladora o amortidora (Propietats 4, 5, 6 i 7)
Gràcies a les seves notables característiques tèrmiques (elevats calor específica i calor d'evaporació) constitueix un excel·lent termoregulador, una propietat que permet el manteniment de la vida dels organismes, en una àmplia gamma d'ambients tèrmics.
Ajuda a regular la calor dels animals. Té un important paper com absorbent de radiació infraroja, crucial en l'efecte hivernacle.
Quan suam, expulsam aigua, la qual en evaporar-se, pren calor del cos i, com a conseqüència, permet refredar-nos.

7. Sals minerals. Biomolècula inorgànica.

1. Formes

 

2. Funcions de les sals minerals

1. Estructural (Precipitades)
Forma estructures sòlides i insolubles .
Quan les sals minerals dissoltes superen una concentració determinada, precipiten de manera sòlida, ja sigui com a minerals o com a estructures esquelètiques, de protecció o de sosteniment. Aquestes estructures poden ser externes o internes:
- Closques de les petxines i altres mol·luscs (CaCO3) o closques silícies (SiO2)
dels frústuls de les diatomees .
- Esquelet intern dels vertebrats, la part mineral dels quals està formada per fosfats (Ca3(PO4)2) i carbonats de calci; el CaF2 és present a l’esmalt dentari.
- Determinades cèl·lules vegetals incorporen sals minerals a la seva paret de cel·lulosa: impregnacions de silici a les tiges de blat, pèls d’ortiga , etc.
 

2. Manteniment de la salinitat del medi (Dissoltes)
Els ions són utilitzats per les cèl·lules per a mantenir costant el grau de salinitat. Una variació en aquestes concentracions provoca alteracions de la permeabilitat, l'excitabilitat i la contractilitat de les cèl·lules. (Sólució fisiològica de Ringer per a mantenir un òrgan en funcionament).

3. Funció tampó o amortidors del pH (Dissoltes)
Els ions són utilitzats per les cèl·lules per a mantenir costant el grau d'acidesa (pH). Els líquids biològics mantenen costan el pH a pesar de l'addició d'àcids i bases, això és gràcies a què contenen sals minerals que poden ionitzar-se en major o menor grau i donar lloc a ions H+ o OH-, que contraresten l'efecte de le bases o àcids afegits. El fenomen s'anomena efecte tampó i les dissolucions tampó, amortidores (buffer).
 

- Tampó Bicarbonat - medi extracel·lular
- Tampó Fosfat - medi intracel·lular
 
4. Estabilitzadora de col·loides (Dissoltes)
Les dispersions de soluts de massa molecular alta o col·loides reben el nom de dispersions col·loïdals. Una substància (proteïnes, fosfolípids) pot ser insoluble en aigua però dispersable en aquest medi.
La major part dels líquids dels éssers vius són dispersions col·loidals. Aquestes poden presentar-se en forma de sol (la fase dispersa és un sòlid i la fase dispersant és un líquid) o en forma de gel (la fase dispersa és un líquid i la fase dispersant és un conjunt de fibres entrellaçades entre les quals queden retingudes les molècules del líquid).

5. Osmosi (Dissoltes)
Un dissolvent passa a través d'una membrana semipermeable (la membrana no deixa passar soluts) entre dues dissolucions de concentració diferent, fins a assolir l'equilibri o la igualtat de concentracions.
L'aigua, es mou des de la dissolució més diluïda fins a la més concentrada.
Apareix així un impuls d'aigua cap a la dissolució més concentrada, que rep el nom de pressió osmòtica.
  Osmosi
Osmosi en els éssers vius:
- Isotònic: el mei intern i extern tenen la mateixa concentració, en aquestess condicions la cèl·lula no es deforma.
- Hipotònic: en un medi extern meys concentrat, la cèl·lula s'infla, es posa turgent, per l'entrada d'aigua.
- Hipertònic: en un medi extern més concentrat, la cèl·lula perd aigua. s'arruga i la membrana pot acabar trencant-se. Aquest procés s'anomena plamòlisi.


6. Funcions específiques (Associades a altres molècules)
- Els glòbuls vermells de la sang contenen l’hemoglobina, proteïna que porta unit un àtom de Fe 2+. L’hemoglobina fa el transport d’oxigen, que va unit al ferro. En la majoria de mol·luscs i molts artròpodes, el Cu2+ fa el mateix paper en la molècula d’hemocianina, a la qual dóna el color blau.
  
- El pas de Na+ i K+ a traves de la membrana de les neurones crea un potencial elèctric, una diferència de càrrega elèctrica, que es desplaça al llarg de la membrana cel·lular efectuant la transmissió de l’impuls nerviós.

- El Ca 2+ és fonamental per a la contracció muscular, i actua també sobre la càrrega elèctrica de la membrana de les fibres musculars. A més, cal un equilibri de les concentracions de Ca2+ i de Mag2+ per a l’activitat dels músculs.

2. Glúcids - Principis immediats orgànics.

1. Glúcids. Classificació.
2. Funcions.
3. Classificació.

1. Glúcids. Classificació.

Els glúcids són compostos orgànics constituïts per C, H i O.
Alguns glúcids poden contenir àtoms d'altres elements, com ara N, S o P.
La fórmula empírica de molts glúcids és (CH2O)n. Això va fer que es coneguin com a hidrats de carboni, és a dir combinacions de C amb aigua. (Sabem que aquesta no és la seva estructura química però el nom s’ha conservat, també reben vulgarment el nom de sucre, tot i que no tots presenten la propietat de ser dolços).
Químicament són polihidroxialdehids o polihidroxiacetones. Són molècules amb un esquelet d'àtoms de carboni, que posseeixen grups alcohol (-OH) en tots els seus àtoms de C llevat d’un on hi ha un grup aldehid (-CHO) o cetona (-CO-).


1. Classificació.

2. Funcions

1. Energètica
- Com a font energètica
  Es diu que els glúcids són substrats energètics perquè la majoria dels monosacàrids, i principalment la glucosa, són degradats per tal d’alliberar  l’energia acumulada en els enllaços entre els seus àtoms.
La glucosa és el principal compost on es reté l’energia solar obtinguda mitjançant la fotosíntesi, per a la seva posterior conversió a altres formes utilitzables pels organismes vius no fotosintètics, la cèl·lula la fa servir per extreure l’energia dels seus enllaços mitjançant el procés de respiració cel·lular.
La glucosa és el monosacàrid més abundant en el medi intern i pot travessar la membrana plasmàtica sense necessitat de ser transformada en molècules més menudes (4,3 Kcal/g)

- Com a reserva energètica
Els organismes utilitzen diversos polisacàrids, com el glucogen (animals) i el midó (vegetals), per emmagatzemar un bon nombre de molècules de glucosa. Quan la situació ho requereix, els polisacàrids alliberen glucosa, que es degrada per proporcionar energia.

2. Estructural
L'enllaç B- glicosídic possibilita estructures moleculars molt estables i perdurables, ja que la majoria dels organismes no tenen enzims que puguin trencar-lo.
La cel·lulosa en els vegetals, la quitina en els artopodes, peptidoglicans en els bacteris, condroïtina en ossos i cartílags, ribosa i desoxiribosa en els àcids nucleics.

3. Altres
- Les glicoproteïnes i els glicolípids donen especificitat a la membrana plasmàtica (les cèl·lules de diferents teixits es reconeixen entre si i, a més, seleccionen les  olècules que entren a la cèl·lula)
- Funció antibiòtica (estreptomicina)
- Funció vitamínica (Vit C)
- Anticoagulant (heparina)
- Hormonal (hormones hipofisiàries)
- Immunitària (immunoglobulines, anticossos)
- Formen part d'altres biomolècules (ATP)

3. Classificació

3.1 Monosacàrids

Monosacàrids formats per 3 àtoms de carboni, aldotriosa o cetoriosa.
- Gliceraldehid (aldotriosa): és una molècula molt abundant en l'interior de la cèl·lula ja que és un metabòlit intermediari de la degradació de la glucosa.

 
- Cetohexosa: fructosa
Es troba lliure en la fruita i, associada a la glucosa formant la sacarosa.
Es troba en forma cíclica pentagonal. (Ciclación de cetohexosas)

3.2 Òsids

Els monosacàrids es poden enllaçar amb:
- altres monosacàrids: enllaç O-glicosídic
- amb altres tipus de molècules: enllaç N-glucosídic

- Enllaç O-glicosídic
Sucre reductor
1r monosacàrid (-OH de C aldehid o cetona) + 2n monosacàrid (-OH de C) —► enllaç + H2O

Sucre no reductor
1r monosacàrid (-OH de C aldehid o cetona) + 2n monosacàrid (-OH de C aldehid o cetona) —► enllaç + H2O



- Enllaç N-glicosídic
1r monosacàrid (-OH) + radical amino (-NH2) d'un altre compost —► enllaç + H2O

3.2.1. Disacàrids (Síntesis de disacáridos)
Glúcids formats per la unió de dos monosacàrids.
També són sòlids cristal·lins, blancs, solubles en aigua i dolços.
- Maltosa: Glucosa + Glucosa (Þ 1 - 4) Maltosa
Es troba lliure en el gra germinat de l'ordi.
 

- Cel·lobiosa: Glucosa + Glucosa (ß 1 - 4) Cel·lobiosa
S'obté per hidròlisi de la cel·lulosa.

- Lactosa Glucosa + Galactosa (ß 1 - 4) Lactosa
Es troba lliure en la llet dels mamífers.
En les persones l'enzim lactasa hidrolitza la lactosa durant la digestió. Les persones intolerants a la lactosa deixen de fabricar aquest enzim i la lactosa s'acumula en el tub digestiu, fet que provoca la entrada d'aigua per osmosi i produeix diarrees, vòmits, rampes i dolor.


- Sacarosa: Glucosa + Fructosa (Þ 1 - 2) Sacarosa
Es troba a la canya de sucre o a la remolatxa sucrera.
Es un sucre no reductor.


3.2.2. Polisacàrid
Són glúcids formats per la unió de molts monosacàrids mitjançant l'enllaç O-glicosídic.
Propietats: Tenen masses moleculars molt grans, són sòlids amorfs, insolubles o formen dispersions coloïdals, no tenen gust dolç, no són reductors.

- Homopolisacàrids: formats per un sol tipus de monosacàrids.

- Glicogen:
És un polímer ramificat de maltoses (Þ 1 - 4) amb ramificacions (Þ 1 - 6) (estructura molt semblant a l’amilopectina però amb ramificacions més freqüents).
Es troba en totes le cèl·lules animals, on constitueix una reserva instantània i abundant de glucosa.
Els músculs i el fetge són, en l’organisme humà, els òrgans amb més contingut glucogènic.
El glucogen emmagatzemat en els músculs és per el seu propi consum en forma de glucosa, i es calcula que representa l’1% de la massa fresca dels músculs.
El glucogen hepàtic és la reserva per a la resta de cèl·lules de l’organisme. Per tant la seva síntesi i degradació dependrà de les informacions que el teixit hepàtic rebi sobre l’estat dels altres òrgans i de la concentració de glucosa en sang.


- Midó: l’amilosa i l’amilopectina  constitueixen el material de reserva de les plantes i barrejades en diferent proporció formen el midó (diferent en cada espècie vegetal). En general, podríem dir que el midó està constituït per un 70% d’amilopectina i un 30% d’amilosa.
L’amilosa és un polímer lineal de maltoses  (Þ 1 - 4) , forma una estructura helicoïdal que inclou unes 300 glucoses polimeritzades. L’amilosa pot ser hidrolitzada per la ptialina, enzim present en la saliva i al suc pancreàtic, formen maltoses que la maltasa transforma en glucoses lliures.
L’amilopectina és un polímer ramificat de maltoses (Þ 1 - 4) amb ramificacions (Þ 1 - 6). Hi ha 3.000 unitats de glucosa per molècula.
L’amilopectina també pot ser atacada per le amilases però necessita altres enzims per la seva total digestió.

- Cel·lulosa
És un polisacàrid amb funció estructural pròpia del vegetals.
És un polímer de glucoses unides mitjaçant enllaços (ß 1 - 4), formen cadenes moleculars no ramificades que es disposen paral·lelament i s'uneixen per mitjà d'enllaços d'hidrogen.
La disposició que adopten les diferents cadenes de cel·lulosa, superposades unes a les altres i alineades en el mateix eix, fa que també es formin enllaços d’hidrogen entre els seus grups hidroxils. En conjunt, resulta un complex macromolecular (60 – 70 cadenes de cel·lulosa) de gran rigidesa i impermeable.
És el component principal de les parts cel·lulars de les cèl·lules vegetals. Les parets de les cèl·lules joves són gairebé exclusivament de cel·lulosa, però a mesura que es van fent velles s’impregnen d’altres tipus de substàncies com la lignina, suberina, cutina o sals minerals.
La majoria d'animals no tenen enzims capaços de trecar aquest enllaç i per tant no poden aprofita la cel-lulosa com a font d'energia (només els insectes xilòfags i els herbívors remugants gràcies als microorganismes simbiòtics del tracte digestiu.
 

- Quitina
Polímer d'aminosucre, com la N-actil-glicosamina, units per enllaços . Cada parella de molècules forma una quitobiosa.
Forma cadenes lineals disposades en paral·lel.
La quitina és el component essencial de l'exoesquelet dels artròpodes. En els crustacis es troba impregnada de carbonat càlcic augmentant la duresa.

- Heteropolisacàrids: formats per dos o més tipus de diferents monosacàrids o derivats.

- Pectina: paret de les cèl·lules vegetals.


- Agar-agar: s'xtreu de les algues roges, s'utilitza per a medis de cultiu o en la industria alimentària


- Goma aràbiga: secretat per plantes per a tancar ferides i com a cola adhesiva

- 3.2.3. Heteròsids: resulten de l'unió d'un monosacàrid, o petit oligosacàrid, amb una molècula o grup de molècules no glicídiques.

- Glicolípids: part glucídica + part lipídica
Cerebrids i gangliòsids que actuen com a receptors específics de membrana

- Glucoproteïnes: part glucídica + part proteïca
NAG n-acetil glucosamina o NAM n- acetl muràmic de la paret bacteriana
Àcid hialurònic del teixit conjuntiu
Heparina anticoagulant de la sang
Receptors específics de membrana
Immunoglobulines del ssistema immunitari

3. Lípids - Principis immediats orgànics

1. Concepte. Funcions. Classificació.

  

2. Àcids grassos: tipus i propietats.

Són àcids orgànics: una cadena hidrocarbona llarga i un grup carboxil (- COOH).

Són amfipàtics: part polar - hidròfila i part apolar - hidofoba.

Cadena llarga de carbonis (més de , normalment amb nombre parell.
Els més abundants en la naturalesa són els 16 a 22 C.

Si l'enllaç és simple s'anomena saturat.

 
Si té dobles o triples enllaços s'anomena insaturat.

 

Propietats físiques

- Punt de fusió: la formació de més o menys enllaços de Van der Walls entre àcids grassos fa variar el seu punt de fusió.
Depén de la longitud de la cadena i dels nombre d'insaturacions.
A major cadena major punt de fusió
A major nombre de insaturacions menor punt de fusió

- Capacitat de formar miceles a causa del seu caràcter amfipàtic: micela de monocapa o de bicapa.

Propietats químiques

- Reacció d'esterificació
grup carboxil (R1-COOH) +  grup alcohol (OH-R2) -------►  éster (R1 - COO- R2) + H2O

- Reacció de saponificació
śter R1 - COO- R2 + base forta (NaOH) -------► sabó R1- COO-Na + alcohol (OH-R2)

- Enranciament (ranci)
Autooxidació dels àcids grassos.

Els olis verjos s'obtenen  esprement les olives en fred els olis tarden més en alterar-se. No es destrueix la vitamina E.
Els olis refinats amb la calentor es destrueix la vit E que té propietats contra l'autoxidació. Torna ranci més aviat.

3. Lípids saponificables

3.1 Acilglicèrids

Formats per 1 (monoacilglicèrid), 2 (diacilglicèrid) o 3 (triacilglicèrid) àcids grassos units per un enllaç éster a una molècula de glicerina (propanotriol).
   R1 - COO - CH2            R1 - COO - CH2            R1 - COO - CH2

            OH - CH2           R2 - COO - CH2            R2 - COO - CH2
               OH - CH2                      OH  - CH2            R3 - COO - CH2
 
- Són els principals components dels greixos de reserva en el teixit adipós animal.
- No formen part de les membranes biològiques.
- Són insolubles en aigua - apolars.
- Són menys densos que l'aigua.

- Exemples:

- olis són rics en àcids grassos insaturats, d'origen vegetal i líquids a temperatura ambient.
- saïm rics en àcids grassos saturats de cadena curta, són d'origen animal i pastosos a temperatura ambient.

- mantega rics en àcids grassos saturats de cadena curta, d'origen animal i pastosos a temperatura ambient.

 

3.2 Ceres

Són ésters d'un àcid gras amb un alcohol de cadena llarga.

CH3 - (CH2)14 - COO - (CH2) 27 - CH3

- Sovint formen capes impermeables sobre la superfície d'organismes o estructures com: pèl, plomes, fulles o fruits.
- Tenen un elevat poder calorífic.
- Les balenes tener l'òrgan espermaceti que a més de la capacitat calorífica les serveix com a òrgan de flotabilitat, poden controlar la densitat de les ceres amb la temperatura, disminuint la irrigació de sang al cervell, la densitat augmenta i baixen a més profunditat.
- Molt resistent a determinades substàncies químiques.
- Molts vertebrats tenen glàndules que en segregeuen (ocells i mamífers aquàtics o cerumen de les orelles).
- Es poden combinar amb altres susbtàncies (àcids grassos i esteroides)
- La trobam en el cerumen de les orelles, cera de les abelles, espermaceti de les balenes, lanolina de les ovelles.
    
  

3.3  Fosfolípids

Són ésters de 2 àcids grassos, glicerina i àcid fosfòric i poden tenir altres components
R1 - COO - CH2
R2 - COO - CH
X   - P - O - CH2
- Són el component de totes les membranes biològiques
- No tenen funció de reserva energètica
   

3.4 Esfingolípids

Són ésters d'un àcid gras, esfingosina (alcohol) i altres components (colina, monosacàrids, oligosacàrids,...).

L'àcid gras i l'esfingosina formen una ceramida.
- Són components de les membranes biològiques.
- La seva classificaació és complexa i està relacionada amb el grup que acompanya la ceramida.
- Així es divideixen en:

4. Lípids saponificables

4.1 Isoprenoides o terpens

Format per polimerització de l'isoprè (2 - metil - 1, 3 - butadiè).
Es classifiquen segons el nombre de molècules d'isoprè que tenen:
- Monoterpens (2). Essències vegetals: metol, limoné,...
- Diterpens (4). Fitol: component de la clorofil·la.
- Triterpens (6). Esqualé i lanosterol (precursors del colesterol)
- Tetraterpens (8). Carotens i xantofil·les (són pigments fotosintètics).
- Politerpens. Cautxú i gutaperxa.

4.2 Prostaglandines

Formades per àcids orgànics liposolubles derivats de l'àcid araquidònic.
La seva activitat és poc coneguda però se sap que intervenen en processos com: vasodilatació, cicle menstrual i embaràs, fertilitat masculina, control de la pressió sanguínia, secreció gàstrica, febre, coagulació de la sang, protecció per la trombosi.

4.3 Esteroides

Derivats de l'esterà o ciclopentanoperhidrofenantré.
Inclou substàncies de gran interès biològic.




Inclou dos grans grups:

Són: colesterol (abundant a la membrana cel·lular, precursor d'altres molècules i control de la fluidesa de la membrana, àcids biliars (àcid còlic emulsionant dels greixos), estradiol (principal hormona sexual femenina), vitamina D (metabolisme del calci - raquitisme).

Hormones sexuals: progesterona (cicle mestrual) i testosterona (caràcters sexuals masculins)

4. Proteïnes - Principis immediats orgànics

1. Concepte. Propietats. Funcions. Classificació.
2. Aminoàcids i l'enllaç peptídic.
3. Estructura de les proteïnes.
4. Classificació de les proteïnes.

1. Concepte. Propietats. Funcions. Classificació.

Biomolècules orgàniqes compostes per C, H, O i N (ocasionalment P i S)
Estan formats per monòmers anomenats aminoàcids.
Presenten especificitat tant en la seva composició com en la seva funció.

1.1. Propietats
- Especificitat: la seqüència dels aa d'una proteïna està determinada per la seqüència dels nucleòtids de l'ADN. Tenen especificitat de seqüència i de conformació.
 
- Amfòters: tenen capacitat amortidora, ja que els aa tenen un grup amí (-NH2) i un grup àcid (-COOH). El grup amí té tendència a captar protons, mentre que el grup àcid té tendència a alliberar protons. Capacitat tamponadora.

- Desnaturalització: pèrdua d'un o més nivells estructurals a causa de la temperatura, el pH, la concentració salina del medi. Propietat típica de proteïnes i àcids nucleics. Es produeix una pèrdua de la funcionalitat que pot ser temporal (es pot recuperar l'estructura amb la renaturalització) o permanent.
 
- Solubilitat: Els radicals dels aa formen ponts d'hidrogen amb l'aigua i com que les proteïnes són molt grans, formen dispersions coloïdals. A causa del seu elevat pes molecular.

1.2. Funcions
- Estructural: components de les membranes i d'altres òrgans que són importants en l'organisme.
(A nivell cel·lular: citoesquelet, proteïnes de membrana, cilis i flagels)
(A nivell d'organisme: pels, ungles, col·lagen dels cartilags)
    

- Reserva energètica: les proteïnes tenen el mateix contingut d'energia que els glúcids.
Albúmines: llet (lactoalbúmines), ous (ovoalbúmines), sèrum (serumalbúmines)
Caseïna de la llet
Totes les proteïnes que desenvolupen aquesta funció, són d'un elevat valor biològic.
Les d'origen animal contenen més diversitat i més quantitat d'aa que les proteïnes d'origen vegetal.
- Transport: proteïnes que transporten substàncies a nivell cel·lular o a nivell d'organisme (hemoglobina transporta O2 i CO2)

- Catalítica o enzimàtica: Tots els enzims són proteïnes.
  
- Contràctil: actina i miosina que participen en la contracció dels músculs, tubulina a nivell cel·lular.

- Hormonal i reguladora: hi ha hormones de naturalesa proteïca com la insulina, tiroxina, GH-hormona del creixement.

- Defensa: anicossos (immunoglobulines). Els antígens són proteïnes.

- Homeostàtica: manteniment de certes costants (pH, salinitat, solubilitat) Això és possible gràcies al caràcter amfòter dels enzims. Aquesta funció és pròpia dels aa.

2. Els aminoàcids i l'enllaç petídic

 

Hi ha 20 aa diferents que formen les proteïnes.
Poden tenir formes D o L, determinades per la posició del grup amí (NH2) respecte al carboni Þ (són més freqüents les formes L a la natura).
Per això els aa també tenen activitat òptica.
El carboni Þ és un carboni asimètric i té activitat òptica (capacitat de desviar la llum polaritzada). Excepte un aa que és la glicina (Gly)
AA essecials són aquells que no podem sintetitzar i, per tant, s'han de incloure en la dieta. En els humans són 8: Met, Lys, Leu Ile, Thr, Trp, Val, Phe.


Punt isoelèctric: valor de Ph pel qual un aa presenta igual nombre de càrregues positives i negatives. Especialment relacionat amb els aa polars. És específica de cada aa.
 
Enllaç peptídic: enllaç que s'estableix entre el grup amí d'un aa i el grup àcid d'un altre aa. És un enllaç molt fort ja que té característiques d'enllaç covalent. A més és un enllaç rígid (en un sol pla sense possibilitat de rotació). Es necessiten uns enzims especials per trencar-los - peptidases o proteases.
El primer C de la cadena és el que presentarà un grup amí lliure, mentre que el darrer és el que presentarà un grup àcid lliure, Extrems N i C respectivament


 

3. Estructura de les proteïnes

Trobam 4 nivells de complexitat estructural:

3.1. Estructura primària
És la seqüència d'aa d'una proteïna.

És important el nombre d'aa i i l'ordre dels aa que ve determinat genèticament.
La seqüència dels aa determina els altres nivell estructurals.
Els aa s'uneixen mitjançant l'enllaç peptídic.

3.2. Estructura secundària

- Þ-hèlix: forma una estructura en forma d'espiral.
Es manté gràcies als ponts d'H que es formen entre aa no consecutius.
- ß- plegada o làmina plegada: no hi ha aa dins la mateixa cadena que formin ponts d'H.
L'estructura es manté perquè es formen pont d'H o ponts disulfur  entre altres cadenes d'aa


El cas del col·lagen - Superhèlix
El col·làgen és la proteïna més abundant en els vertebrats. És una proteïna molt resistent.
Forma un Þ-hèlix formada per aa una mica especials (hidroxiprolina, prolina i glicina) que no permeten que el col·làgen formi una a-hèlix normal, sinó que forma una hèlix molt més estirada, per aquesta raó els enllaços per pont d'H són menys freqüents. Però agrupa tres cadenes hi forma una superhèlix.

3.3. Estructura terciària

Estructura plegada sobre ella mateixa
Domini estructural: variacions de l'estructura terciària d'una proteïna.

3.4. Estructura quaternària

Associació de diferents elements d'estructura terciària
És la unió de monòmers d'una proteïna
Hemoglobina: és un tetràmer. Està formadaa per 4 cadenes de globina més un grup hemo per cada unitat de globina.
Les diferents unitats es mantenen estables gràcies als enllaços per pont d'H i als enllaços disulfur.

4. Classificació de les proteïnes

• Holoproteïnes globulares o esferoproteïnes
  

• Holoproteïnes fibroses o escleroproteïnes

• Heteroprotïnes = fracció proteica + grup prostètic

5. Enzims i vitamines

1. Enzims. Concepte i principals característiques.
2. Enzims. Especificitat enzimàtica. Activitat enzimàtica.
3. Cinètica enzimàtica i factors que l'afecten.
4. Inhibició enzimàtica.
5. Enzims al·lostèrics.
6. Nomenclatura i classificació.
7. Vitamines.

1. Concepte i principals característiques.

Els enzims són biocatalitzadors (catalitzadors biològics).
Fan possible que es produeixin determinades reaccions.
Els enzims són susbtàncies que intervenen en les reaccions biològiques fent que transcorrin més ràpidament.
Són susbtàncies orgàniques que acceleren les reaccions milers de vegades.
Disminueixen l'energia 'activació d'una reacció.
Els enzims solen actuar a nivell cel·lular. (Intracel·lular o extracel·lular)

• Característiques dels enzims

- Acceleren les reaccions biològiques.
- No es consumeixen durant la reacció. En acabar la reacció la quantitat d'enzim és la mateixa que el principi.
- Són de naturalesa proteïca (proteïnes globulars) excepte els ribozims.
- Són altament específics (cada enzim té una seqüència d'aa característica que dóna la màzima especificitat, 1 sol reactiu, 1 sol producte , 1 sola funció)
- Actuen a la temperatura corporal.
- Són molt actius
- Tenen una elevada massa molecular
- Alguns es sintetitzen en una forma precursora o inactiva proenzims i quan les condicions són les adequades s'activen ( pepsinògen - <ph - HCl estomacal - pepsina)
- Existeixen isoenzims, són variants d'un mateix enzim. Tenen diferent forma molecular però amb una mateixa funció. Actuen en diferents etapes de la vida o segons el teixit. (LDH Lactodeshidrogenasa té molts enzims.

• Estructura dels enzims
  

Segons l'estructura que presenten es poden classificar en dos tipus:

- Estrictament proteics: composició uniforme i exclusivament formats per aa.
- Holoenzims: formats per

Part proteica (apoenzim) + part no proteica (cofactor)

El cofactor determina l'activitat de l'enzim i es classifiquen en:
- Cofactor inorgànic: ions metal·lics (Co, Zn, Cu)

- Cofactor orgànic o coenzims: ATP, NAD+, NADP+, FAD, CoA
Si el cofactor està fortament unit al apoenzim se l'anomena grup prostètic.

2. Enzims. Especificitat enzimàtica. Activitat enzimàtica.

• Enzims

- Substrat: substància sobre la qual actua l'enzim.
- Producte: substància resultant de la transformació enzimàtica.
- Centre actiu: regió de l'enzim que s'uneix al substrat per poder-lo transformar.

S + E ---► SE ---► P + E

- És una part molt petita de l'enzim
- Estructura tridimensional que permet que el substrat encaixi
- En el centre actiu hi ha aa que estan molt allunyats a l'estructura primària però que es situen pròxims en la tridimensional i que tenen afinitat química pel substrat.
- En el centre actiu distingim tres tipus d'aa segons la seva funció:

- aa de fixació: per unir el substrat a l'enzim. Formen enllaços febles amb el substrat (pH, disulfur).
- aa estructurals: responsables de la forma del centre actiu. No solen formar enllaços amb el susbtrat.
- aa catalitzadors: responsables de la transformació del susbtrat, i s'uneixen a ell mitjançant enllaços febles i forts.

• Especificitat enzimàtica

L'especificitat enzimàtica té un doble sentit una a causa de la seqüència genètica i una altre l'especifitat de com i quan actuen.
Model que expliquen l'especificitat: (els models han anat evolucionant a més flexibilitat entre les estructures)
- Model de de Fisher (1890).Complementarietat. Model de clau i pany (Clau- substrat, pany - enzim) La clau poc ser molt específica, un poc específica i poc específica)
- Model d'ajust induït - gua i mà
- Model encaixada (estreta de mans)

 

• Grau d'especificitat dels enzims
  

- Absoluta: té la capacitat d'unir-se i transformar-se en un sol substrat

El nom de l'enzim cita el nom de la molècula i la funció que desenvolupa (Glucosa 6-P-deshidrogenasa)

- De grup: l'enzim reconeix un determinat grup de molècules semblants (mateix tipus de component i mateix tipus d'enllaç) (proteases, lipases, peptidases).
- De classe: independentment del tipus de molècula, reconeix enllaços o grups funcionals. (fosfatases, deshidrogenases).

• Activitat enzimàtica   
  

- Reaccions amb un sol substrat
S + E ---►complex SE ---► complex EP  ---► P + E

- Reaccions amb dos substrats al mateix temps
S1 + S2 + E ---►complex S1S2E ---► complex EP1P2  ---► P1 + P2 + E

- Reaccions amb dos substrats consecutius.
S1 + E ---►complex S1E ---► P1 + E*
S2 + E* ---►complex S2E ---► P2 + E

3. Cinètica enzimàtica i factors que l'afecten.

En la majoria d'enzims, la velocitat de reacció en funció de la concentració de susbtrat correspon a una hipèrbola.

En una reacció enzimàtica, amb una concentració d'enzim costant, si s'incrementa la concentració de substrat es produeix un augment de la velocitat de reacció.

Com hi ha més substrat per unitat de volum, augmenta la probabilitat de trobada entre substrat i enzim.

[E] = costant

Augment [S] —► Augment V reacció

Però si continua augmentant la concentració de substrat, s'arriba a un punt en què la velocitat de la reacció deixa d'augmentar, ha arribat a la velocitat màxima.

Velocitat màxima punt en què la velocitat de reacció deixa d'incrementar-se ja que totes les molècules d'enzim estan ocupades per molècules de substrat (saturació de l'enzim).

A partir d'aquest comportament enzimàtic, Michaelis - Menten, van definir la costant de Michaelis-Menten (K_M).
K_M= concentració de substrat a la qual la velocitat de reacció és la meitat de la velocitat màxima.
La costant K_M varia depenent del grau d'afinitat que hi ha entre l'enzim i el substrat.
L'equació segünet permet calcular, a partir de la Vmax i la K_M, la velocitat de la reacció per a diferents concentracions de substrat [S]

4. Factors que afecten la velocitat de les reaccions catalitzades per enzims.

4.1. Concentració de substrat.
Segons l'equació de M-M a msura que augmenta la [S] la velocitat de la reacció augmenta fins que arriba a la velocitat màxima, quantotes les molècules d'enzim estan ocupades amb un substrat.
4.2. Temperatura.
Si augmenta l'energia calorífica les molècules augmenten la mobilitat i s'incrementa el nombre de trobades, augmentant la velocitat de reacció.
Cada enzim té una temperatura òptima de reacció.
En general un augment d'uns 10ºC pot duplicar i fins i tot quadriplicar la velocitat de reacció.
Temperatures més altes es produeix la desnaturalització irreversible.
Temperatures molt baixes es produeix la desnaturalizació reversible.
  4.2. pH
Dos valors límit de pH entre els quals són eficaços, entre els valors hi ha el pH òptim amb la màxima eficàcia.
El pH òptim serà diferent epls enzims cel·lulars o pels enzims intestinals.

4.3. Inhibició enzimàtica.

Inhibidor: susbtància que impedeix, total o parcialment, l'actuació d'un enzim.

- Retroalimentació negativa o feed-back: el mateix producte de la reacció inhibeix la reacció. Si no fa falta més producte la reacció s'atura.

Tipus d'inhibició:

- Irreversible: l'inhibidor s'uneix permanentment al centre actiu de l'enzim  i l'inutilitza de forma permanent.
- Reversible: després d'eliminar la susbtància inhibidora , l'enzim torne a tenir activitat.

- IR Competitiva: substrat i inhibidor s'assemblen i competeixen pel centre actiu de l'enzim.
- IR No competetiva: substrat i inhibidor no s'assemblen, l'inhibidor s'uneix a l'enzim i modifica la seva estructura inutilitzant el centre actiu.
- IR per bloqueig del complex ES: l'inhibidor s'uneix al complex E-S i impideix la formació de productes.

Exemples d'inhibidors beneficiosos per a la salut:
- Penicilina: inhibeix els enzims que participen en la formació de la pared bacteriana
- AZT - zidovudina: inhibidor a de la transcriptasa inversa. (Hi ha virus que el seu material genètic és ARN i no ADN, per això el primer pas per a la infecció és transformar l'ARN a ADN i ho fan mitjançant l'enzim transcriptasa inversa - virus de SIDA)

5. Enzims al·lostèrics.

Hi ha enzims que no obeixen a l'equació M-M. Tenen una cinètica sigmoidea, petites variacions en la concentració de substrat es tradueix en variacions en la velocitat de reacció.

 

 

 

Enzims que no segueixen la cièntica de Michaelis - Menten
Enzims que poden adoptar dues configuracions estables diferents: activa o inactiva

A més del centre actiu tenen un altre lloc o centre regulagor o al·lostèric (al·lo - altre) al qual se l'uneix el lligand o efector

Una sola de les conformacions té afinitat pel lligand que determina el canvi conformacional.
Els lligands segons la configuració iduïda poden ser:
- activadors
- inhibidors



Hi ha enzims que poden tenir més d'un centre regulador al qual se li uneixen lligands diferents. Multimodulació.


Autoregulació de les vies metabòliques
- Augmentar o disminuir la síntesi de l'enzim
- Retroalimentació negativa o retroinhibició o feed-back negatiu
El producte final actua d'inhibidor de l'enzim. E actiu ---► producte ---► E inactiu
- Inducció enzimàtica
La presència de substrat actua de precursos de l'enzim. E inactiu ---► substrat ---► E actiu

6. Nomenclatura i classificació.

Nomenclatura:

substrat + coenzim  (si n'hi ha) + funció-asa
substrat - asa
denominació antiga

Tipus
- Oxidorreductases: reaccions d'oxidació-reducció.
- Transferases: tranfereixen radicals d'unsubstrat a un altre.
- Hidrolases: trenquen enllaços amb l'addicicó d'una molècula d'aigua.
- Liases: separen grups sense intervenció d'agua.
- Isomerases: transformen un isòmer en un altre.
- Ligases o sintetases: unió de molècules o grups amb despesa d'energia.

  Eficiencia. Enzimas.Concepto y estructura.

7. Vitamines.

Vitamines: susbtàncies orgàniques que es necessiten en quantitats molt petites per al funcionament correcte de l'organisme, generalment són precursors de coenzimso molècules actives pel metabolisme.

Els animals no són capaços de sintetitzar-los o ho fan en quantitat insuficient i s'han d'obtenir dels aliments.
De vegades es troben en forma de provitamina i necessita transformacions posteriors (vit A i D).
Són làbils (s'alteren facilment amb la temperatura o la llum) per això s'han de consumir aliments frescs i poc cuinats.
L'alteració de la quantitat de vitamines pot produir: avitaminosis (carència), hipovitaminosi (poca vit), hipervitaminosi (excés).

Tipus:

• Vitamines hidrosolubles

Solubles en aigua, es dissolen en la sang i l'excés es filtart i eliminat pels ronyons
- Vit B: (B1 - tiamina, B2 - riboflavina, B3 - nicotinamida, B9 - àcid fòlic)
- Vit C: síntesi de col·lagen (escorbut)

• Vitamines liposolubles

De naturalesa lipídica i solubles en dissolvents orgànics
- Vit A: vista
- Vit D: absorció del calci (raquitisme)
- Vit E: antioxidant
- Vit K: coagulació de la sang

---

6. Àcids nucleics

1. Àcids nucleics. Nucleòsids. Nucleòtids. Nucleids no nucleics.
2. ADN: tipus i formes.
3. Nivells estructurals de l'ADN.
4. ARN: composició i tipus.

1. Àcids nucleics. Nucleòsids. Nucleòtids. Nucleids no nucleics.

Àcids nucleics són molècules orgàniques formades per C, H , O , N i P.
Estan formats per nucleòtids (unitats bàsiques) per aquest motiu són molècules molt regulars.
És freqüent que es parli dels àcids nucleics com a polinucleòtids que formen cadenes lineals no ramificades simples o dobles.

Composició: nucleòtids són monòers essencials complexos formats per una pentosa, àcid fosfòric i una base nitrogenada.

Components dels àcids nucleics:
- sucre

- ribosa - ARN
- desoxirribosa - ADN

- bases nitrogenades

Púriques
- A - Adenina

 - G - Guanina
Pirimidíniques
- C - Citosina
- T - Timina - ADN
- U - Uracil - ARN

- grup fosfat: àcid fosfòric

  
 

  

La unió d'un sucre + base nitrogenada = nucleòsid (enllaçN-glucosídic).
La unió d'un sucre + base nitrogenada + grup fosfat = nucleòtid (enllaç fosfoéster).
La unió entre nucleòtids es fa mitjançant l'enllaç fosfodiéster.

Queda un  extrem lliure 5' del grup fosfat i un altre extrem lliure 3' hidroxil. (El principi de la cadena sempres és el 5')


 

• Nucleòtids no nucleics
  

Nucleids que no formen part de l'estructura de l'ADN o ARN però són essencials pel metabolisme cel·lular (respiració i fotosíntesi)
- Nucleòtids que actuen coma coenzims

Coenzim A: nucleòtid d'adenina + difosfat + àcid pantotenic

NAD (nicotin adenina dinucleòtid): coenzim de reaccions de redox en la respiració cel·lular

NADP (nicotin adenina dinucleòtid + P): aporta electrons en processos de biosíntesi
FAD (flavin - riboflavina vit b12- adenina dinucleòtid): reaccions redox

FMN (mononucleòtid de riboflavina): reaccions redox

- Nucleòtids trifosfat

L'enllaç fosfoéster acumula molta energia que pot ser alliberada quan aquest s'hidrolitza (7,3 Kcal/mol)
ATP

ADP

AMP

- AMPc
Nuclèosid d'adenina (ribosa, adenina + P) té un enllaç fosfodiéster cíclic. Missatger químic intracel·lular i desencadena reacccions metabòliques.

2. ADN: tipus i formes

- Segons el nombre de cadenes:

- ADN monocatenari: molt poc freqüent, noés s'ha trobat en alguns virus

- ADN bicateneari: el més freqüent.

- Segons la forma:

- ADN lineal: cèl·lules eucariotes i alguns virus.

- ADN circular: en bacteris, arquebacteris, mitocondris, cloroplasts i alguns virus.

- Segons on el trobam a la cèl·lula:

- Cèl·lules eucariotes

- ADN nuclear: ADN bicatenari lineal enrotllat sobre unes proteïnes bàsiques - histones i a altres proteïnes, formant els nucleosoma. El conjunt s'anomena cromatina.
- ADN mitocondrial i dels cloroplasts: bicatenari circular

- Cèl·lules bacterianes:ADN bicatenari circular associat a proteïnes no històniques, formant el nucleoide.
- Cèl·lules arquebacteris: ADN bicatenari lineal enrotllat sobre unes proteïnes bàsiques - histones, formant els nucleosoma.
- ADN de virus: bicatenari o monocatenari, lineal o circular i associat a proteïnes.

3. Nivells estructurals de l'ADN

3.1 Estructura primària - Seqüència

L'estructura primària és la seqüència de nucleòtids d'una sola cadena.
La unió d'un sucre + base nitrogenada + grup fosfat = nucleòtid
Un eix de fosfopolidesoxirriboses del qual hi ha unit una seqüència de bases nitrogenades.
La unió entre nucleòtids es fa mitjançant l'enllaç fosfodiéster. Queda un  extrem lliure 5' del grup fosfat i un altre extrem lliure 3' hidroxil. (El principi de la cadena sempres és el 5')

46 molècules d'ADN d'una cèl·lula humana són uns 6400 milions de parells de bases.
La longitud de l'ADN no té relació amb la complexitat que presenta, tene més ADN del necessari (ADN supernumerari).

El gran nombre de combinacions permet entendre que en la seqüència de nucleòtids és possible emmagatzemar la informació biològica o informació genètica.

 

3.2 Estructura secundària - Doble hèlix

• Dades experimentals que van permetre deduir l'estructura secundària de l'ADN.
  

- La densitat i viscositat de les dipersionns aquoses de l'ADN eren superiors a les esperades ja que s'agrupaven per ponts d'hidrogen.
- LLeis de Chargaff - complementarietat de bases
Primera llei: la quantitat de bases Adenina (A) és igual a la quantitat de Timina (T), i la quantitat de bases Guanina (G) és igual a la quantitat de Citosina (C). De manera que la suma de bases nitrogenades púriques (A i G) és igual a la suma de les pirimidíniques (T i C). Així s'estableix la complementarietat de les bases nitrogenades en l'ADN.
Segona llei: la proporció de bases nitrogenades era semblant en els diferents òrgans d'un mateix organisme, però que aquestes proporcions eren específiques i diferents per a cada espècie.

- Estructura fibrilar de 20A de diàmetre deduïts de difracció de Raigs X. Franklin i Wilkins.
- Altres:

- Beable i Tatum: Un gen - un enzim
- Experiment Grifftih: agent transformant
- Experiment Avery, McLeod i McCarthy: ADN agent transformant
- Linus Pauling: difracció de raigs X de l'hemoglobina
 

• Watson i Crick 1953
  

Segons el model de la doblehèlix:

- La molècula d'ADN consisteix en una hèlix doble, ja que està formada per dues cadenes de nucleòtids enrotlladas al llarg d'un eix comú.
- Aquesta doble hèlix és dextrogira.
- L'enrotllament és plectonímic (
- Dóna un gir complet cada 34 A.
- Les dues cadenes es disposen en sentits oposats, és a dir, una en sentit 3' → 5' i l'altra en sentit 5' → 3'. Les dues cadenes són, per tant, antiparal·leles.
- Les bases nitrogenades són a l'interior de la doble hèlix, amb els plans dels seus anells perpendiculars a l'eix de l'hèlix, mentre que els esquelets pentosa-fosfat de les dues cadenes es troben a la part exterior. La distància entre cada parell de bases és de 3,4A, conté 10 parells de bases per volta.
- Les dues cadenes queden unides per ponts d'hidrogen formats entre la base nitrogenada d'una cadena i la de l'altra cadena amb la qual queda enfrontada. Els aparellaments sempre són entre A-T i G-C, és a dir, sempre s'enfronta una base púrica amb una pirimidínica, i mai dues del mateix tipus. Això possibilita que es mantingui constant el diàmetre de la doble hèlix ja que les bases púriques, en tenir dos anells, són més grans que les pirimidíniques, que només en tenen un.
- L'aparellament A-T i G-C explica també el principi d'equivalència establert per Chargaff. En l'orientació en la qual queden les bases a l'interior de la doble hèlix, el parell A-T pot formar 2 ponts d'hidrogen i el parell G-C en pot formar 3.


Aquest model mostrava ja la possibilitat que l'ADN pogués complir les següents funcions:

- Contenir la informació genètica codificada a la seqüència de bases. Malgrat que l'ADN estigui forma només per quatre tipus de bases, el número de seqüències possibles i, per tant, la diversitat de la informació emmagatzemada, és enorme.
- Reproduir-se exactament per a originar dues molècules filles idèntiques a la molècula original. Això és absolutament necessari per tal que la informació genètica pugui ser transmesa fidelment i es pot aconseguir gràcies al fet que l'aparellament entre les bases sempre és A-T i G-C. D'aquesta manera, si les dues cadenes se separen, cadascuna pot servir de motlle per a la síntesi d'una nova cadena complementària idèntica a aquella de la qual s'ha separat.
- Un canvi en la seqüència (mutació) pot modificar la informació i aquest canvi pot ser transmès a la descendència.
Les dues cadenes que formen la doble hèlix poden ser separades per diferents mètodes, entre ells la calor. El procés de separació de les dues cadenes s'anomena desnaturalització de l'ADN. La doble hèlix es pot restaurar i s'anomena renaturalització (aquesta tècnica s'utilitza en diferents tècniques per l'estudi del genoma).

James Watson explains DNA basepairing

3.2 Estructura "terciària" - Nivells d'empaquetament.

• Bacterià i mitocondrial - Estructura terciària

L'ADN circular (bacterià, mitocondrial) presenta estructura terciària.
ADN en doble hèlix gira damunt ell mateix - ADN superenrotllat.

Redueix la longitud de l'ADN
Facilita la duplicació

• Eucariotes
  

L'ADN d'eucariotes si no es condensa més no hi cap dins el nucli.
L'ADN s'encapsida sobre proteïnes:

Cèl·lules somàtiques, òvuls i arqueobacteris - histones
Espermatozoides - protamines (són més bàsiques que le histones i s'aconsegueix més encapsidació, estructura tridimensional cristal·lina)

• Nivells d'empaquetament
  

- Fibra de cromatina de 100A - collar de perles

Nucleosoma = ADN - 200 parells de bases (2 voltes i mtja d'ADN) + octàmer d'histones ( 2 H2A + 2 H2B + 2 H3 + 2 H4)
Nucleosoma + H1 + Nucleosoma + H1 + Nucle... = collar de perles.
En interfase, la cromatina es troba en forma de fibra 100A - eucromatina.

- Fibra de cromatina de 300A - solenoide
Les histones H1 s'agrupen entre si en un eix central.
En cada volta intervenen 6 nucleosomes.
Primer nivell de condensació dels cromosomes.

- Dominis en forma de bucle
La fibra de 300A forma bucles que queden ancorats sobre un eix proteic intern o bastida proteica (topoisomerases i H1)

- La condensació o encapsidament continuaria fins aconseguir el nivell màxim de condensació del cromosomes - metafàsics.
(4 cm de fibra de cromatina encapsidats en 5,5 µm).



L'ARN (àcid ribonucleic) és un polímer format per la unió de ribonucleòtids d'A, G, C i U mitjançant enllaços fosfodièster.
L'ARN es troba a totes les cèl·lules eucariotes i procariotes així com als virus d'ARN (els virus mai tenen ARN i ADN alhora), tant mono- com bicatenari.
La major part dels ARN són monocatenaris, és a dir, a diferència de l'ADN la molècula està formada per una sola cadena lineal de ribonucleòtids. Això no obstant, poden tenir zones amb estructura de doble hèlix per aparellament de bases complementàries de la mateixa cadena. Els aparellaments en aquest cas són A-U i G-C.
Tan sols un tipus de virus, els retrovirus, posseeixen ARN bicatenari, amb dues cadenes aparellades i estructurades en una doble hèlix.

A les cèl·lules, l'ARN copia la informació continguda a la seqüència de bases de l'ADN (transcripció) i aquesta informació és traduïda posteriorment a una seqüència de aminoàcids d'una proteïna.
Al llarg de tot aquest procés participen diferents tipus d'ARN:

- ARN missatger (ARNm). Se sintetitza al nucli de les cèl·lules eucariotes o a la regió nuclear de les procariotes i la seva seqüència de bases és complementària a la d'un fragment d'una de les cadenes de ADN, amb la particularitat que allà on l'ADN tingui una A, l'ARN copiat tindrà un U en comptes d'una T. Un cop sintetitzat, a les cèl·lules eucariotes, surt al citoplasma on s'associa als ribosomes i actua com a matriu sobre la qual s'aniran col·locant, en l'ordre dictat per la seqüència de bases, els aminoàcids que formaran la cadena polipeptídica.

  
 

- ARN de transferència (ARNt). Són molècules que contenen entre 70 i 90 nucleòtids.
Estan formats por una única cadena que presenta estructura secundària gràcies a l'aparellament entre bases complementàries en diferents zones de la molècula.
Aquestes regions de doble hèlix deixen entre elles una sèrie de bucles.
Les molècules presenten una conformació tridimensional en forma de L.
La seva funció és captar aminoàcids i transportar-los als ribosomes, tot col·locant-los en el lloc indicat per la seqüència de l'ARNm.
Les quatre zones de doble hèlix delimiten tres bucles un dels quals conté un triplet específic de bases, l'anticodó, que és complementari d'un triplet de bases de l'ARNm al qual s'unirà, el codó. Un ARNt amb un anticodó específic s'uneix sempre al mateix aminoàcid i no a un altre, la qual cosa resulta essencial per a poder traduir la informació transportada des de l'ADN per l'ARNm.

- ARN ribosòmic (ARNr).
És el més abundant a les cèl·lules.
Juntament amb prtoteïnes es troba formant part dels ribosomes.
Presenta zones amb doble hèlix.
La seva massa molecular s'expressa segons el coeficient de sedimentació de Svedberg (S) - velocitat d'ultracentrifugació.
Procariotes 70S (50 + 30), eucariotes 80S (60 + 40)

 

- ARN nucleolar (ARNn)
Contitueix el nuclèol.
S'origina a partir de segments d'ADN per a formar l'ARN ribosòmic.

- ARN petit nucleolar (ARNpn)
Es troba en el nucli.
S'uneix a proteïnes formant ribonucleoproteïnes nuclelars
Elimina els introns - madració de l'ADN

- ARN d'interferència (ARNi)

Bicatenari de 20-30 nucleòtids.
Reconeix determinats ARNm, els degrada per impedir la seva traducció.
Mecanisme d'autoregulació cel·lular.
Descobert en el 1998, s'utilitzen en tractaments antivirics i anticancèrigens.

---

Bloc 2: LA CÈL·LULA VIVA. MORFOLOGIA, ESTRUCTURA I FISIOLOGIA CEL·LULAR

Continguts

La cèl·lula: unitat d’estructura i funció.
La influència del progrés tècnic en els processos de recerca. Del microscopi òptic al microscopi electrònic.
Morfologia cel·lular. Estructura i funció dels orgànuls cel·lulars. Models d’organització en procariotes i eucariotes. Cèl·lules animals i vegetals.
La cèl·lula com un sistema complex integrat: estudi de les funcions cel·lulars i de les estructures en les quals es desenvolupen.
El cicle cel·lular.
La divisió cel·lular. La mitosi en cèl·lules animals i vegetals. La meiosi. Necessitat biològica de la meiosi en la reproducció sexual. Importància en l’evolució dels éssers vius.
Les membranes i la funció que fan en els intercanvis cel·lulars. Permeabilitat selectiva. Els processos d’endocitosi i exocitosi.
Introducció al metabolisme: catabolisme i anabolisme.
Reaccions metabòliques: aspectes energètics i de regulació.
La respiració cel·lular: significat biològic. Diferències entre les vies aeròbica i anaeròbica. Orgànuls cel·lulars implicats en el procés respiratori.
Les fermentacions: aplicacions.
La fotosíntesi: localització cel·lular en procariotes i eucariotes, etapes del procés fotosintètic, balanç global i importància biològica.
La quimiosíntesi.

Criteris d'avaluació /Estàndars d'aprenentatge

1. Establir les diferències estructurals i de composició entre cèl·lules procariotes i eucariotes.
    1.1. Compara una cèl·lula procariota amb una d’eucariota i identifica els orgànuls citoplasmàtics que presenten.
2. Interpretar l’estructura d’una cèl·lula eucariota animal i una de vegetal, identificar i representar-ne els orgànuls i descriure la funció que exerceixen.
    2.1. Esquematitza els diferents orgànuls citoplasmàtics i en reconeix les estructures.
    2.2. Analitza la relació existent entre la composició química, l’estructura i la ultraestructura dels orgànuls cel·lulars i la funció que fan.
3. Analitzar el cicle cel·lular i diferenciar-ne les fases.
    3.1. Identifica les fases del cicle cel·lular i explicita els principals processos que es produeixen en cada una.
4. Distingir els tipus de divisió cel·lular i desenvolupar els esdeveniments que es produeixen en cada fase.
    4.1. Reconeix en diferents microfotografies i esquemes les diverses fases de la mitosi i de la meiosi i indica els esdeveniments bàsics que es produeixen en cada una.
    4.2. Estableix les analogies i diferències més significatives entre mitosi i meiosi.
5. Argumentar la relació de la meiosi amb la variabilitat genètica de les espècies.
    5.1. Resumeix la relació de la meiosi amb la reproducció sexual, l’augment de la variabilitat genètica i la possibilitat d’evolució de les espècies.
6. Examinar i comprendre la importància de les membranes en la regulació dels intercanvis cel·lulars per al manteniment de la vida.
    6.1. Compara i distingeix els tipus i subtipus de transport a través de les membranes i explica detalladament les característiques de cada un.
7. Comprendre els processos de catabolisme i anabolisme i establir la relació entre ambdós.
    7.1. Defineix i interpreta els processos catabòlics i els anabòlics, així com els intercanvis energètics que hi estan associats.
8. Descriure les fases de la respiració cel·lular i identificar-ne les rutes, així com els productes inicials i finals.
    8.1. Situa, a nivell cel·lular i a nivell d’orgànul, el lloc on es produeixen cada un d’aquests processos i diferencia en cada cas les rutes principals de degradació i de síntesi i els enzims i les molècules més importants responsables dels processos.
9. Diferenciar la via aeròbica de l’anaeròbica.
    9.1. Contrasta les vies aeròbiques i anaeròbiques i les relaciona amb el diferent rendiment energètic que presenten.
    9.2. Valora la importància de les fermentacions en nombrosos processos industrials i en reconeix les aplicacions.
10. Detallar els diferents processos que tenen lloc en cada fase de la fotosíntesi.
    10.1. Identifica els diferents tipus d’organismes fotosintètics i els classifica.
    10.2. Localitza a nivell subcel·lular on es duen a terme cada una de les fases de la fotosíntesi i destaca els processos que hi tenen lloc.
11. Justificar la importància biològica de la fotosíntesi com a procés de biosíntesi, individual per als organismes, però també global en el manteniment de la vida a la Terra.
    11.1. Contrasta la importància biològica de la fotosíntesi per al manteniment de la vida a la Terra.
12. Argumentar la importància de la quimiosíntesi.
    12.1. Valora el paper biològic dels organismes quimiosintètics

---

1. La cèl·lula, unitat  estructural i funcional

1. Teoria cel·lular
2. Mida, forma i longevitat de le cèl·lules.
3. Procariota vs eucariota.
4. Eucariota animal i vegetal.
5. Microscopi òptic i microscopi electrònic.

1. Teoria cel·lular
Timeline del descobriment i estudi de la cèl·lula.

- 1665 - Robert Hooke - 1r microscopi. Nom de cèl·lula en observar una làmina de suro.
- 1675 - Leeuwenhoek - Microsocpi fins a 200 augments. Obervà animàlculs.
- 1831 - Brown va descobrí el nucli.
- 1838  i 1839 - Schleiden i Schwann - van enunciar els 2 primers principis de la teoria cel·lular.
- 1839 - Purkinje va descriure el protoplasma: citoplasma + carioplasma.
- 1852 - Remak divisió completa del nucli.
- 1855 - Virchow - enuncià el 3 principi de la teoria cel·lular.
- 1879 - Strasburguer - va descriure les fases successives de la divisió del nucli, cariocinesi.
- 1880 - Fleming - va descriure la mitosi o divisió cel·lular.
- 1890 - Waldeyer va identificar el cromosomes en la mitosi.
- 1899 - Ramón y Cajal va descobrí que el teixit nerviós estava format per cèl·lules, neurones.
- 1902 - Sutton i Boveri la informació resideix en els cromosomes.
- 1952 - Perfeccionament del microsocpi electrònic. Descobriment de moltes característqiues de la cèl·lula i enunciar el 4 principi de la teoria cel·lular.

Robert Hooke (1665) observant una làmina de suro amb un microscopi molt simple va veure unes cel·les poligonals que es repetien, semblants a les cel·les d'una bresca d'abelles i les va anomenar cèl·lules.

Leeuwenhoek (1675) va perfeccionar les lents i va observar animàlculs (bacteris i altres microorganismes unicel·lulars)

 

Teoria cel·lular

- La cèl·lula és la unitat estructural o morfològica dels éssers vius. Tots els éssers vius estan formats per una o més cèl·lules.
- La cèl·lula és la unitat funcional o fisiològica dels éssers vius. És la unitat mínima capaç de dur a terme les funcions vitals d'un ésser viu. (Schleiden, Schwann - 1838)
- Tota cèl·lula procedeix, per divisió, d'una altra cèl·lula prexistent. (Ommis cellula ex cellula)(Virchow - 1855)
"- La cèl·lula és la unitat genètica autònoma dels éssers vius. La cèl·lula conté la informació sobre la síntesi de la seva estructura i el control del seu funcionament, i és capaç de transmetre-la als descendents."

2. Mida, forma i longevitat de le cèl·lules.
Mida de les cèl·lules.

- Funció <——> Mida i forma
-Cèl·lules humanes: 5 - 20 µm.
Òvul 150 µm.
(1 micra = 1 µm= 0,000001m)

Forma de les cèl·lules

- Procariotes: coc, bacil, espiril, vibrio.
- Eucariota

Vegetal: poligonals
Animal: Funció <——> Mida i forma

aplanades - pell
esfèriques - glòbuls blancs
bicòncaves - glòbuls vermells
fusiformes - musculars
estrellades -neurones

  

Relació grandària - forma i maduresa cel·lular

- Captar prou nutrients. Quan augmenta la grandària, la relació superfície/ volumen disminueix.
Les cèl·lules joves tenen forma esfèrica però amb el temps passen a ser aplanades, prismàtiques o irregulars, per a mantenir costant la relació S/V.
- L'ADN no és capaç de fabricar els enzims que es necessiten en un citoplasma massa gran.
- El grau d'encapsidació de la cromatina ens indica el nivell de maduresa cel·lular.

Longevitat cel·lular

Procariotes es divideix cada 20 - 60 min
Eucariotes - cos humà:
- Epitelials 8h
- Hepàtiques 2 anys
- Neuronals o musculars estriades mai

3. Procariotes vs eucariotes

Totes les cèl·lules estan fromades per:
- membrana plasmàtica
- citoplasma
- material genètic

- procariotes: cèl·lules sense embolcall nuclear. El material genètic es situa en una zona del citoplasma anomenada nucleoide (del grec pro - abans i karyon - nucli).
- eucariotes: material genètic envoltat per l'embolcall nuclear formant el nucli (del grec eu - veritable i karyon - nucli).

4. Eucariota animal i vegetal

 

5. Microscopi òptic vs microscopi electrònic

2. La membrana plasmàtica, el citosol i els orgànuls no membranosos.

2.1. La membrana plasmàtica: composició, estructura, propietats i funcions.
2.2. Transport a través de la membrana.
2.3. Exocitosi i endocitosi.
2.4. Unions intercel·lulars.
2.5. Estructures extracel·lulars: matriu i paret.
2.6. Citosol.
2.7. Citoesquelet.
2.8. Centrosoma.

• Composició:

• Funcions:

2.2. Transport a través de la membrana

Transport passiu

- Proteïnes de canal
- Canals iònics. Ions com Na+, Ca2+, Cl-,... que no poden atravessar per càrrega.
- L'obertura de l'entrada es regula per: voltatge (variacions en el potencial de membrana) o per lligand (susbtància que s'uneix a un receptor de la prot de canal i s'obre).



- Proteïnes transportadores o permeases

- Específiques a cada substrat.
- Permet el transport de molècules més grans.
- Es poden saturar.

Transport actiu

Amb despesa d'energia i en contra de gradient.
- Bomba Na+/K+


Despolarització de la membrana: canals iònics de Na+ i K+ i bomba de Na+/K+

- Bomba de Ca2+


- Bomba de protons

2.3 Exocitosi i endocitosi

2.4 Unions intercel·lulars

1. Unions íntimes, hermètiques, estretes o d'oclusió

2.5. Estructures extracel·lulars: matriu i paret.

2.5.1. Matriu extracel·lular

Funcions:
- Nexe d'unió entre les cèl·lules del mateix teixit.
- Omple els espais intercel·lulars.
- Cohesió entre teixits per formar òrgans.
- La substància amorfa- àcid hialurònic, reté aigua i oferix resistència a la compressió (líquid sinovial).
- La substància amorfa - proteoglicans, permeten la difusió de molècules hidrosolubles.
- La xarxa de fibres proteïques proporciona consistència, elasticitat i resistència a la cèl·lula. Condiciona la seva forma, desenvolupament i proliferació.

2.5.2 Paret cel·lular

• Cèl·lules vegetals

Estructura:
- Làmina mitja:

Funions:
- Dóna forma i rigidesa.
- Evita la ruptura de la cèl·lula per pressió osmòtica
- Permet l'intercanvi d'aigua i soluts amb les cèl·lules veïnes (plasmodesmes) (Transport simplàstic - transport actiu)

• Cèl·lules de fongs

- Xarxa de fibres de quitina (polisacàrid estructural (N-cetil-glucosamina amb enllaç ß 1-4- quitobiosa-)) i glucans
- Matriu o material cimentant que formen un gel viscós que permet l'organització de la xarxa de fibres de quitina:

- Proteïnes
- Lípids

- Sals minerals

• Cèl·lules procariotes

Composició:

- Xarxa de fibres de N-acetilglucosamina (NAG) i N-acetilmuràmic (NAG) units per aminoàcids

2.6. Citosol.

Citoplasma espai situat entre la membrana plasmàtica i l'embolcall nuclear.
Citoplasma = citosol + citoesquelet + orgànuls
Citosol = hialoplasma
Citosol és el medi intern líquid del citoplasma.

Composició
És una dispersió coloïdal que la podem trobar en dos estats de gel (-H2O) o sol (+H2O).
- H₂O 85%
- Molècules dissoltes:

- inorgàniques: sals minerals
- orgàniques:

- proteïnes(aa, enzims i prot estructurals)

- glúcids (monosacàrids i polisacàrids)

- nucleòsids, nucleòtids (ATP) i àcids nucleics (ARNm, ARNt)

- productes del metabolisme

- Inclusions citoplasmàtiques:

- macromolècules
- dipòsits de susbtàncies de reserva o de rebuig
- hidròfobs
- sense membranama
- les trobam en tots els tipus de cèl·lules (procariotes, eucariotes, animals i vegetals)
- Glúcids
- Lípids
- Altres

2.7. Citoesquelet.

Xarxa de filaments proteics que serveixen de estructura interna amb funció esquelètica en les cèl·lules eeucariotes.

Funcions:

- Mantenir la forma.
- Transport i organització dels orgànuls en el citoplasma.
- Fer possible el desplaçament - pseudòpodes.
- Fer possible la contracció muscular.

Components:
- Microfilaments d'actina

- Mantenir la forma
- Generar pseudòpodes: pel desplaçament i per fagocitosi
- Crear i estabilitzar prolongacions citoplasmàtiques: microvellositats de l'epiteli intestinal.
- Fer possible el moviment contràctil de les cèl·lules musculars: actina - miosina.

- Filaments intermedis. Proteïnes filamentoses. Serveixen per formar estructures en cèl·lules que estan sotmeses a esforços mecànics (cel peitelials o musculars).

- Neurofilaments: axons de les neurones
- Tonofilaments o filaments de queratina: cel epitelials.
- Filaments de vimentina: teeixit conjuntiu
- Filaments de desmina: cel musculars

- Microtúbuls: proteïna - tubulina. 13 filaments de tubulina disposats cilíndricament formen un microtúbul.
Els microtúbuls s'originen a partir del centre organitzador de microtúbuls - centrosoma.
Material pericentriolar - cel animals.
Material birefringent - cel vegetals.

- Crear estructures estables: centríols, cilis, flagels
- Formar estructures de curta durada: pseudopodis, citoesquelet
- Mobilitzar els cromosomes durant la mitosi
- Determinar la forma
- Organitar la distribucció interna dels orgànuls. Transport de vesícules o immobilització de grans orgànuls.

2.8. Centrosoma.

Centrosoma o centre organitzador de microtúbuls.
És un centre dinàmic.
Responsable de moviments interns (cromosomes en la mitosi) i extrens (cilis o flagels) de la cel.
Responsable del citoesquelet.
Tipus:

- Amb centríols

- Protoctists (algues, protozous) i animals
- Format per:

- Material pericentriolar: material que origina els microtúbuls
- Àster: microtúbuls que surten del material pericentriolar.
- Diplosoma: dos centríols disposats en forma perpendicular. Cada centríol costa de 9 grups de 3 microtúbuls formant un cilindre.

- Sense centríols

- Fongs i plantes
- Centrosoma: zona del citoplasma engrossida, clara, sense límits definits, sense àster.
Es formen microtúbuls del fus acromàtic i reben el nom de casquets polars.

2.9 Cilis i flagels - undulipodis

9 doblets de microtúbuls i 2 microtúbuls centrals (9 + 2), envoltats per membrana.
Cilis curts 2 - 20 µm i abundants.
Flagels 10 200 µm i pocs.

Estructura:
- Tija:

- 2 microtúbuls centrals
- Baina que els envolta
- 9 parells de microtúbuls entrellaçats
- La dineïna té funció ATPasa permet el moviment entre els diferents grups de microtúbuls.
- Envoltat per membrana

- Zona de transició:

- 9 parells de microtúbuls entrellaçats sense microtúbuls centrals
- Una part sense membrana ja que es localitza en el citoplasma.

- Corpuscle basal:

- Zona superior: 9 triplets  amb eis intern proteic (= centríol). Organitza els microtúbuls de la tija.
- Zona inferior: eix proteic  amb làmines radials - roda de carro.
- Arrel

Funció:

---

3. Els orgànuls cel·lulars delimitats per membrana

 




 

---

4. El metabolisme

4.1. Metabolisme

Metabolisme cel·lular: conjunt de reaccions químiques que tenen lloc en l'interior de les cèl·lules en les quals es transformen unes biomolècules en altres  per tal d'obtenir matèria i energia i dur a terme funcions vitals:nutrició, relació i reproducció.

Matèria. La matèria que s'obté del metabolisme serveis per crèixer i desenvolupar-se.

Energia. L'energia obtinguda del metabolisme s'emmagatzema en els enllaços químics de les substàncies de reserva (glucogen, lípids, midó) i segons les necessitats es transforma en altres tipus d'energia (mecànica, calorífica, elèctrica).

Ruta o via metabòlica: diferents reaccions químiques deel metabolisme.

Metabolit: molècules que intervenen en una ruta metabòlica.

Metabolisme intermediari: petites rutes metabòliques que enllacen entre si les grans vies.

Enzims: substàncies que regulen les reaccions metabòliques, específiques per a cada substrat i per a cada transformació.

Catabolisme: reaccions químiques en les quals es transformen molècules complexes en altres de més senzilles.

- S'allibera energia que s'emmagatzema en els enllaços fosfat de l'ATP.
- Reaccions de degradació.
- Reaccions d'oxidació (respiració cel)
- Rutes metabòliques convergents: a partir de molts substrats s'acaba en uns pocs productes (CO₂, H₂O, ac pirúvis, etanol,...)
 

Anabolisme: reaccions químiques en les quals es transformen molècules simples en altres de complexes.

- Reaccions de síntesi (fotosíntesi o quimiosíntesi)
- Reaccions de reducció
- Necessiten energia proporcionada per la ruptura dels enllaços fosfat de l'ATP.
- Rutes metabòliques divergents: a partir dee pocs substrats poden formar-se molts productes diferents.

Reaccions redox (pag 191)
Les reaccions redox són reaccions d'oxidació i reducció.
Són reaccions de transferència d'electrons.
La susbtància que s'oxida perd electrons.
La substància que es redueix accepta electrons.

agent reductor ——► electrons ——► agent oxidant

4.2. Tipus de metabolisme

Si la finalitat de metabolisme és obtenir matèria i energia, el metabolisme es classifica segons:

- La font de carboni per obtenir matèria:

- Autòtrof: s'utilitza el CO₂ atmosfèric (carboni inorgànic) per tal de fabricar matèria orgànica.
- Heteròtrof: s'utilitza carboni de biomolècules orgàniques (hidrats de carboni, proteïnes o lípids) (carboni orgànic) per tal de fabricar la matèria orgànica pròpia.

- La font d'energia per dur a terme les reaccions metabòliques:

- Fotosíntesi: energia de la llum
- Quimiosíntesi: energia que es desprenen de les reaccions químiques.

Per Regnes:
- Animals: quimioheteròtrof
- Plantes: fotoautòtrof
- Fongs: quimioheteròtrof
- Protoctists:

- Algues: fotoautòtrof
- Protozous quimioheteròtrof

- Moneres: tots el tipus de metabolisme

fotoautòtrof: cianobacteris, bacteris verdes, bacteris del sofre purpuris
fotoheteròtrof: bacteris purpuris no sulfuris
quimioautòtrof: bacteris nitrificants, bacteris incolors del sofre i altres
quimioheteròtrof: molts de tipus de bacteri.

---

5. El catabolisme

5.1. Catabolisme.
5.2. Tipus de catabolisme.
5.3. Catabolisme dels glúcids. Glícòlisi.
5.4. Catabolisme dels lípids. ß-oxidació dels àcids grassos.
5.5. Catabolisme de les proteïnes.
5.6. Catabolisme dels àcids nucleics.
5.7. Respiració.
5.8. Fermentació.

 

5.1. Catabolisme.

Catabolisme: reaccions químiques en les quals es transformen molècules complexes en altres de més senzilles.

- Reaccions de degradació.
- Reaccions d'oxidació (respiració cel)
- Rutes metabòliques convergents: a partir de molts substrats s'acaba en uns pocs productes (CO2, H2O, ac pirúvic, etanol,...)
- S'allibera energia que s'emmagatzema en els enllaços fosfat de l'ATP. 

- L'energia s'allibera de manera gradual ja que:

- Es produeixen reaccions succesives una després de l'altre i cada una catalitzada per enzims diferents.
- En una primera etapa es transporten d'hidrògens:

- La matèria orgànica - glucosa per efecte de la deshidrogenasa perd 2H (2e¯ + 2p+), oxidació.
- 2e¯ + 1p+ són cedits al coenzim NAD+ que es redueix a NADH i queda 1p+ lliure (H+)

(Oxidar perdre e¯, reduir guanyar e¯)

- Cadena transportadora d'electrons:

- El NADH transfereix els electrons a una cadena transportadora d'electrons (citocroms)
- Finalment els electrons són transferits a àtoms d'oxigen (O) als quals s'uneixen els protons lliures (H+) i es forma aigua (H2O).
- L'energia que alliberen els electrons quan passen de una situació de més a menys energia s'utilitza per formar ATP.

5.2. Tipus de catabolisme.

• Respiració
  

- Hi intervé la cadena transportadora d'electrons.
- Permet transportar e¯ procedents d'un compost orgànic inicial a un acceptor final que és un compost inorgànic.
- Segons la naturalesa de l'acceptor final d'e¯ podem distingir:

- Respiració aeròbica: acceptor final O₂ ( ►H₂0).
- Respiració anaeròbica: ió nitrat NO^_3¯ (►N₂O ► N₂), ió nitrit NO^_2¯ (►N₂O ► N₂), sulfat SO₄²¯ (►SH2) o diòxid de carboni CO₂ (►CH₄). (No és O₂)

• Fermentació
  

- NO hi intervé la cadena transportadora d'electrons.
- Es tranfereixen e¯ procedents d'un compost orgànic inicial a un acceptor final que també és un compost orgànic.

5.3. Catabolisme dels glúcids. Glícòlisi.

5.3.1. Fonts de glúcids.

• Animals

Els glúcids poden provenir de:
- L'alimentació. Digestió química dels hidrats de carboni.

La digestió dels glúcids comença a la boca per la α-amilasa que actua amb un pH alcalí (boca) i la α-amilasa a l’estomac és inactiva, ja que, l’estomac té un pH 1 - 2 (molt àcid), però a l’intestí prim actua la amilasa pancreàtica actuant sobre el midó. També trobem els enzims: maltasa, sacarasa i lactasa que actuen sobre els disacàrids amb l’obtenció de monosacàrids (glucosa, galactosa i fructosa). On els monosacàrids són absorbits per les cèl·lules epitelials de l’intestí prim cap a la circulació venosa portal.

 

- Reserves de glicogen del teixit muscular o del fetge. Poden ser hidrolitzats en glucosa. (Metabolisme del glicogen - glicogenolisis)

• Plantes

- Reserves de midó que són hidrolitzades a molècules de glucosa.

5.3.2. Glicòlisi

Glicòlisi o ruta metabòlica d'Embden-Meyerhof.
Es produeix en el citoplasma de la cèl·lula.
La glucosa (6C) s'escindeix (separar) en dues molècules d'àcid pirúvic (piruvat - Pyr)  (3C) i l'energia alliberada s'utilitza per a sintetitzar dues molècules d'ATP.
Té nou etapes.
En les primeres es consumeix 2 ATP.
En les darreres es produeixen 4 ATP.
I es formen dos NADH

Glucosa +2 ADP + 2P_i+ 2 NAD⁺ ——►2 Àcid pirúvic + 2 ATP + 2 NADH + H⁺+ H₂O

  

5.4. Catabolisme dels lípids. ß-oxidació dels àcids grassos.

5.4.1. Font de lípids

La digestió dels lípids comença a l’estomac (10% de la digestió total). En l’intestí participen les lipases del suc pancreàtic i suc intestinal amb l’obtenció del 90% de la digestió dels lípids.

En la digestió dels lípids s’obtenen diferents macromolècules com: triglicèrids, diglicèrids, monoglicèrids, àcids grassos de cadena curta i llarga, colesterol, glicerol o Na, K, Mg i Ca; que alguns són solubles i d’altres no.

Les molècules obtingudes que són solubles travessen les cèl·lules epitelials per dirigir-se a la circulació sistèmica per via del conducte toràcic o bé per la vena porta en direcció al fetge.


 

- Acilglicèrid (mono, di o triacilgicèrid) = àcid gras (1, 2 o 3) + glicerina ---- enllaç èster
     |
      ► lipases trenquen l'enllaç èster ——► àcid grassos + glicerina

- Fosfolípids
     |
      ► fosfolipases ——► àcid grassos + glicerina + àcid fosfóric

 

- glicerina + P ——►Dihidroxiacetona ——► Glicólisi (catabolisme)
- glicerina ——► Glucosa (anabolisme)
- àcids grassos ——► ß-oxidació dels àcids grassos

5.4.2. ß-oxidació dels àcids grassos. Hèlix de Lynen.

Té lloc en la matriu del mitocondris.
Els àcids grassos no poden travessar la membrana interna del mitocondri i s'han d'activar.
Activació àcid gras: àcid gras + coenzim A + carnitina + proteïna de membrana.
ß-oxidació: carboni ß (2º a partir del grup carboxil) passa d'estar formant -CH₂- a estar formant un -CO-.

  

5.5. Catabolisme de les proteïnes.

5.5.1. Font de proteïnes.

La digestió química de les proteïnes comença a la boca gràcies a l’enzim anomenat pepsina; tot i això en gran mesura la digestió de les proteïnes es realitza en l’intestí (duodè) amb l’acció de les proteases en forma activa: peptidases localitzades en el suc intestinal i suc pancreàtic. La funció principal es la destrucció de gran cadenes de aminoàcids que formen una proteïna o pèptid en l’obtenció de l’element principal que són els aminoàcids. Els aminoàcids obtinguts en la digestió són absorbits per les cèl·lules epitelials de l’intestí prim en direcció venosa portal i al sistema limfàtic cap al conducte toràcic i després cal al sistema venós.

 

5.5.2 Catabolisme dels aminoàcids.

En el cataboslime dels aminoàcids distingim tres processoss:

• Separació dels grups amino:

- Transaminació: transferència del grup amino d'un aa.

aa-NH₂ + Þcetàcids (àcid Þ-cetoglutàric) ——►transaminasa ——►àcid glutàmic

- Desaminació oxidativa: separació del grup amino i l'alliberament al medi aquós com a amoníac.

àcid glutàmic ——► glutamat deshidrogenasa ——► Þcetàcids (àcid Þ-cetoglutàric) + NH₃ (amoníac)

• Transformació de la resta resultant en àcid pirúvic, acetilCoA o intermediaris del cicle de Krebs. La cadena hidrocarbona serà completament degradada a un dels composts indicats.
  

• Eliminació dels grups amino
  

Grup amino (-NH₂) ——► amoníac (NH₃) ——► en aigua forma ió amoni (NH₄⁺) (tòxic)

- Animals amoniotèlics (invertebrats aquàtics, peixos d'aigua dolça): excreten directament amoníac.
- Animals ureotèlics (peixos d'aigua salada, mamífers): l'amoíac es tranforma en urea en el fetge.
- Animals uricotèlics (insectes, rèptils, ocells): àcid úric que pot estar molt concentrat.

5.6. Catabolisme dels àcids nucleics.

Els àcids nucleics són degradats fins a nucleòtids al tub digestiu.
Nucleases segregades per la mucosa duodenal i el pàncrees.
Després els nucleòtids són degradats en els seus components:

- Pentoses (ribosa o desoxirribosa) segueixen la degradació dels glúcids.
- Àcid fosfòric: s'excreta com ió fosfat  (PO³⁺₄) o s'utilitza per a la síntesi d'ATP o de nous nucleòtids.
- Bases nitrogenades: s'utilitzen per a sintetitzar nous nucleòtids o es degraden:

- Púriques (A, G): es degraden fins àcid úric.
- Pirimidíniques (T, C): urea o amoníac.

5.7 Respiració

Fases:
- Passos previs
- Cicle de Krebs o cicle del àcids tricarboxílics
- Fosforilació oxidativa

• Passos previs
  

- Entrada de l'àcid pirúvic al mitocondri.
L'àcid pirúvic està ionitzat en forma d'ió piruvat.
No pot travessar la membrana intena mitocondrial per difusió i ho fa per transport actiu amb proteïness transportadores.

- Descarboxilació oxidativa del piruvat

Piruvat ——►Sitema piruvat deshidrogenasa ——►Acetil - CoA + NADH + CO₂

• Cicle de Krebs o cicle del àcids tricarboxílics

Té lloc en la matriu mitocondrial.

Acetil - CoA ——► Acetil (2C) + Oxacelat (4C)——►Àc citric (6C)

En cada volta del cicle de Krebs s'obtenen:
- 2 CO₂
- 3 (NADH + H⁺) i 1 FADH₂
- 1 GTP

• Fosforilació oxidativa

Té lloc a la membrana mitocondrial interna.
2 processos:

- Transport d'electrons
- Quimiosmosi

• Cadena transportadora d'electrons o cadena respiratòria

Molècules proteiques, englobades de forma ordenada a la membrana interna dels mitocondris de les cèl·lules eucariotes o en la membrana plasmàtica en le cèl·lules procariotes.
Cada una d'aquestes molècules accepta electrons (es redueix) i després els transfereix a la molècula següent (s'oxida).
Components (6)
- Grans complexos proteics I, II, III, IV, englobats a la membrana.
- Ubiquinoa (Q): molècula lipídica capaç de trasllardar-se per la bicapa i transportar e- del complex I i II al III.
- Citocrom C: heteroproteïna situada en la cara interna de la membrana, transporta e- del complex III al IV.

En el pas d'electrons per la cadena respiratòria es bomben H⁺ a l'espai intermembranal.
- Si la respiració és aeròbica - el darrer acceptor d'electrons és l'O₂ que es transforma en aigua.
- Si la respiració és aneròbica - el darrer acceptor d'electrons són altres susbtàncies inorgàniques.

• Quimiosmosi

Quan la quantitat de H⁺ l'espai intermembranós és molt alta, la membrana és incapaç de mantenir la diferència de potencial, i el protons tornen a la matriu a través de la ATPsintases.
ATPsintasa:
- banda mòbil, formada per un rotor col·locat en la membrana
- estructura globosa 3Þ i 3ß

ADP + P_i ——►1 H⁺ + ATPsintasa ——►ATP

• Balanç energètic
  

1 NADH ——►3 H⁺ ——►3 ATP
1 FADH₂ ——► 2H⁺ ——► 2 ATP

- Glucosa = 38 ATP

- Glicòlisi

2 ATP                            (+ 2 ATP)
3 ATP/2 NADH            (+ 6 ATP)

- Sistema piruvat deshidrogenasa, cicle de Krebs, fosforilació oxidativa.
2 àcid pirúvic

1 GTP x 2                      (+ 2 ATP)
3 ATP / 4 NADH x 2     (+24 ATP)
2 ATP / 1 FADH₂ x 2     (+ 4 ATP)

- Lípids - Àcid palmític (16C) = 129 ATP
Set voltes de ß-oxidació dels àcids grassos

- Entada al mitocondri                      (-2 ATP)
- 8 Acetil-CoA - 12 ATP /Acetil- CoA  (+ 96 ATP)
- 7 FADH2 - 2 ATP / FADH2               (14 ATP)
- 7 NADH - 3 ATP /NADH                  (21 ATP

5.8 Fermentació

Característiques:
- Procés anaeròbic. L'acceptor final d'e^- no és l'O2.
- L'aceptor final d'e^- és un compost orgànic.
- No intervenen els ATPsintases i la síntesi d'ATP és a nivell de substrat.
- Baixa eficiència energètica.
- Són pròpies de microorganismes, bacteris o cèl·lules musculars quan no arriba oxigen.

• Fermentació alcohòlica
  

Organismes: fongs del gènere Saccharomyces que són anaerobis facultatius.
Glucosa - midó (rem, poma, civada) ——►glicòlisis ——►2 àcid pirúvic + 2 ATP ——► 2 etanol + CO₂
Balanç energètic: 2 ATP.

• Fermentació làctica

Organismes: Lactobacillus casei, Lactobacillus bulgaricus, Streptoccocus Lactis.
Lactosa (Glucosa + galactosa) ——►glicòlisis ——►2 àcid pirúvic + 2 ATP ——►2 àcid làctic
L'àcid coagula les proteïnes de la llet (caseïna) i s'obtenen productes derivats (formatge, iogurts, mató).
L'àcid làctic es pot reconvertir en el fetge en àcid pirúvic, en condicions aerobies.
Balanç energètic: 2 ATP.

• Fermentació butírica

Organismes: Bacillus amilobacter, Clostridium butiricum.
Glucosa - midó i cel·lulosa ——►glicòlisis ——►2 àcid pirúvic + 2 ATP ——►àcid butíric + H+ + CO2
Descomposició de les restes vegetals en el sòl.
Balanç energètic: 2 ATP.

• Fermentació pútrida

Substrats proteics ——►indole, cadaverina, escatol

---

6. L'anabolisme

6.1. Anabolisme.
6.2. Tipus d'anabolisme.
6.3. Anabolisme autòtrof. Fotosíntesi.
6.4. AnaboliQuimiosíntesi.
6.5. Anabolisme heteròtrof.

6.1. Anabolisme.

Anabolisme: reaccions químiques en les quals es transformen molècules simples en altres de complexes.

- Reaccions de síntesi (fotosíntesi o quimiosíntesi)
- Reaccions de reducció
- Necessiten energia proporcionada per la ruptura dels enllaços fosfat de l'ATP.
- Rutes metabòliques divergents: a partir de pocs substrats poden formar-se molts productes diferents.

6.2. Tipus d'anabolisme.

• Anabolisme autòtrof
  

Éssers vius que fabriquen la seva pròpia matèria orgànica a partir de matèria inorgànica.
Segons la font d'energia utilitzada:

- Autòtrof fotosintètic o fotosíntesi: s'utilitza l'energia lluminosa. (Algues, plantes, bacteris fotosintètics)

- Fotosíntesi oxigènica: es descompon H₂O gràcies a l'energia lluminosa per obtenir e i es desprén O₂.
- Fotosíntesi anoxigènica: es descomponen molècules de sulfur d'hidrogen H₂S per obtenir e^- i es desprén H⁺ i precipitats de sofre.

- Autòtrof quimiosintètic o quimiosíntesi: s'utilitza l'energia alliberada en reaccions d'oxidació de composts inorgànics. (Bacteris quimiosintètics)

• Anabolisme heteròtrof

Pas de molècules orgàniques simples a molècules orgàniques complexes amb funció estructural o de reserva.
Tots els organismes autòtrofs i heteròtrofs.

6.3. Fotosíntesi.

Fotosíntesi: procés pel qual es transforma l'energia lluminosa en energia química, que queda emmagatzemada en molècules orgàniques, gràcies als pigments fotosintètics.
Tipus:

- Fotosíntesi oxigènica: es descompon H₂O gràcies a l'energia lluminosa per obtenir e i es desprén O₂.

- Plantes i algues:
Cloraplats: orgànuls fotosintètics típics de plantes i algues.

Tenen una membrana externa, una membrana interna i un líquid intern, anomenat estroma, que conté uns sàculs denominats tilacoides, a les membranes dels quals es troben els fotosistemes.
Fotosistemes: complexos proteics amb molècules de clorofil·la i altres pigments fotosintètics

- Cianobacteris: no tenen cloroplats, però tenen tilacoides al citoplasma.

- Fotosíntesi anoxigènica: es descomponen molècules de sulfur d'hidrogen H₂S per obtenir e^- i es desprén H⁺ i precipitats de sofre.

- Bacteris que tenen un orgànuls de parets proteiques, denominats clorosomes, que contenen bacterioclorofil·la.

6.3.1. Pigments fotosintètics.

Pigments fotosintètics: lípids que estan units a proteïnes presents a les membranes dels tilacoides.
- Plantes: clorofil·la i carotenoides.
- Cianobacteris i algues roges: clorofil·la i carotenoides, ficocianina i ficoeritrina.
- Bacteris fotosintètics: bacterioclorofil·la.

- Clorofil·la: pigment verd constituït per un anell profirínic amb un àtom de magnesi en el centre, associat a un fitol (monoalcohol de 20C).
És una molècula amfipàtica: porfirina - pol hidròfil i fitol - pol lipòfil.
Tipus:

- Clorofil·la a: absorbeix llum de 683nm.
- Clorofil·la b: absorbeix llum de 660nm.

- Carotenoides: són isoprenoides o terpens. Absorbeix llum de 440nm. Són de color groguenc.
Tipus:

- Carotens
- Xantofil·les

 

Els pigments pesenten alternança d'enllaços covalents senzills amb enllaços covalents dobles.
Així s'indueix l'existència d'e^- lliures que poden mourer's per tot l'anell generar canvis en la posicicó dels dobles enllaços, estat de ressonància.
Aquests e^- necessiten molt poca energia per excitar-se i ascendir a nivells superiors.
Segons la longitud d'ona de la llum incident, s'excita un pigment fotosintètic o un altre.
Quan un fotó incideeix sobre un e^- capta l'energia del fotó i puja a posicions més allunyades del nucli atòmic, l'energia d'excitació és transferida a un altre que absorbeix llum a més longitud d'ona, aquest procés continua fins a arribar al pigment fotosintètic diana, que és capaç de cedir e- excitats a unes altres molècules i començar així una reacció química.

6.3.2. Fotosistemes

Fotosistema: complex molecular format per proteïnes transmembrana, que contenen pigments fotosintètics.
Es troben a les membranes tilacoidals.

• Estructura interna del fotosistemes

- Complex captador de llum o antena
Subunitat formada per pigments antena (clor a, clor b, carotenoides) que capten l'energia lluminosa i la transmeten de les unes a les altres fins al pigment fotosintètic del centre de reacció.

- Centre de reacció
Hi ha dues molècules especials de clorofil·la a (pigment diana) que en rebre l'energia captada dels pigments antena transfereixen e^- a la molècula denominada primer acceptor d'e^- que els transferiex a una molècula externa de fotosistema.
El pigment diana reposa els e- perduts a partir d'una molècula denominada primer donador d'e^-.

 

• Tipus de fotosistemes

- Fotosistema I, PSI, clorofil·la P700.
El pigment diana capta la llum de longitud d'ona menor o igual a 700nm.
Són més abundants als tilacoides de l'estroma (tilacoides no apilats).
Són incapaços de trencar la molècula d'aigua pe obtenir e^-.

- Fotosistema II, PSII, clorofil·la P680.
El pigment diana capta la llum de longitud d'ona meenor o igual a 680nm.
Predomina en els tilacoides apilats que formen els grana.

Són capaços de trencar la molècula d'aigua per obtenir e^- i reposar els e^- perduts pel pigment diana.

A continuació de cada fotosistema hi ha una cadena de molècules transportadores d'e^- i proteïnes ATP sintases.

6.3.3. Fotosíntesi. Fases.

• Fase lluminosa o dependent de llum

Té llos als tilacoides del cloroplasts.
En aquesta fase es capta l'energia lluminosa i es generen ATP i coenzims reduïts (NADPH)
Tipus:
- Fase lluminosa - transport acíclic.
Intervé el PSI i PSII, una cadena transportadora d'e^- i ATPsintases.
Processos:

- Fotòlisi de l'aigua.

- Cara interna dels tilacoides.
- Incideix la llum sobre el PSII, el pigment diana (Clor P680) s'excita i cedeix 2e^- al primer acceptor d'e^-.

- Per a reposar els 2 e^- perduts té lloc la hidròlisi de l'aigua.
- Els dos protons (H⁺) queden en l'interior del tilacoide.
- El primer acceptor cedeix el e- a una cadena de transport electrònic: plastoquinona (Pq), complex citocrom b-f, plasticianina (Pc), clorofil·la P700 del PSI.
- Durant aquest transport, dos H⁺ més passen de l'estroma a l'interior del tilacoide.

- Fotoreducció del NADP⁺.

- El primer acceptor d'e^- del PSI transfereix e^- a una altra cadena de transport electrònic: ferredoxina, enzim NADP⁺ reductasa.
- S'agafa 2 H⁺ de l'estroma i es redueix per a formar NADPH.

- Fotofosforilació de l'ADP.

- En el procés s'han introduït 4H⁺: 2 de l'hidròlisi de l'aigua i 2 impulsats per la cadena de transport electrònic.
- S'estableix una diferència de potencial electroquímic entre les dues cares de la membrana tilacoidal.
- Per cada 3 h+ es sintetitza una molècula d'ATP en la ATPsintasa, pel procés de quimiosmosi.

- Fase lluminosa - transport cíclic.
Intervé el PSI, una cadena transportadora d'e^- i ATPsintases.
No hi ha fotòlisi de l'aigua i per tant no es desprén O₂ ni es produeix la reducció del NADP⁺.
Processos:

- PSI.

- El primer acceptor d'e^- del PSI transfereix e^- a una altra cadena de transport electrònic: ferredoxina, complex citocrom b, plastoquinona (Pq), complex citocrom f, plasticianina (Pc).
- En aquesta cadena de transport s'introdueixen 2H⁺ en l'interior del tilacoide.

- Fotofosforilació de l'ADP.

- Per cada 3 H⁺ es sintetitza una molècula d'ATP en la ATPsintasa, pel procés de quimiosmosi.

• Fase fosca o independent de llum

Té lloc a l'estroma dels cloroplasts.
En aquesta fase s'utilitzen l'ATP i els coenzims reduïts (NADPH) que s'han obtingut en la fase lluminosa per a sintetitzat molècules orgàniques. Cicle de Calvin.
No necessita llum solar, però no significa que es dugui a terme a la foscor. De fet, sol fer-se durant el dia, perquè és quan es produeix ATP, NADPH i H⁺.
Processos:

- Fixació del diòxid de carboni CO₂.

-El CO₂ atmosfèric entra a l'estroma del cloroplast.
- S'uneix a la ribulosa-1,5-difosfat (5C) gràcias a l'acció de l'enzim ribulosa difosfat carboxilasa oxidasa (rubisco)
- Es forma un compost inestable de 6C, que es dissocia en dues molècules de 3C, l'àcid 3-fosfoglicèrid (Plantes C3).

- Reducció del CO₂ fixat.

- Fosforilació, consum de l'ATP
- Reducció del CO₂ gràcies al NADPH
- L'àcid 3-fosfoglicèrid es redueix a gliceraldehid-3-fosfat

- Vies del gliceraldehid-3-fosfat:
- Síntesi de sacarosa: se sintetitza glucosa i fructosa, s'uneixen i formen sacarosa (saba elaborada)
- Síntesi de midó, àcids grassos i aminoàcids

- Regeneració de la ribulosa -1,5- difosfat als cloroplasts i es tanca el cicle de Calvin

6.3.4. Balanç de la fotosíntesi oxigènica d'una molècula de glucosa.

6 CO₂ + 12 H₂0 + 48 fotons E lluminosa ——► C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ ►+ 6 H₂O

- Fase lluminosa

- acíclica 1,33 ATP / H₂O x 6 = + 16 ATP
- cíclica                                     = + 2 ATP

- Fase obscura
2 NADPH / CO₂ x 6 = - 12 NADPH
3 ATP / CO₂ x 6 = - 18 ATP

6.3.5 Fotosíntesi dels composts orgànics nitrogenats i amb sofre.

- Anabolisme (construcció) de composts orgànics amb nitrogen a partir del N₂ del sòl.
S'utilitza l'ATP i el NADPH obtinguts en la fase lluminosa.
Etapes:

- Ions nitrat (NO₃^-) són reduïts a ions nitrit (NO₂^-). Enzim nitrat reductasa (-1 NADPH).
- Ions nitrit (NO₂^-) són reduïts a amoníac (NH₄⁺). Enzim nitrit reductasa (-1 NADPH).
- Amoníac (NH₄⁺) + Þ - cetoglutàric ——► àcid glutàmic. Enzim glutamat sintetasa (- 1ATP).

- Anabolisme (construcció) de composts orgànics amb sofre a partir del  S del sòl.
S'utilitza l'ATP i el NADPH obtinguts en la fase lluminosa.
Etapes:

- sulfat (S0₄^2-) ——►sulfit (S0₃^2-) ——►sufur d'hidrogen (H₂S) + acetilserina ——►Cisteïna - aminoàcid

 

6.3.4. Fotorespiració.

Quan l'ambient és càlid i sec els estomes es tanquen per evitar la pèrdua d'aigua.
En aquestes condicions augmenta molt la {O₂} la rubisco actua amb funció oxidasa destruint la ribulosa - 1,5 - disfosfat.

6.3.5 Plantes C4 o ruta de Hatch-Slack.

Plantes de clima tropical, en què la fotorespiració podria constituir un greu problema.
Plantes C4 o ruta de Hatch-Slack per captar CO₂.
2 tipus de cloroplasts:

- Cloroplasts de les cèl·lules de la baina, tocant els vasos conductors.
- Cloroplasts de les cèl·lules del mesofil·le o parènquima que envolta la baina.

En les cèl·lules del mesofil·le:
CO₂ + àcid fosfoenolpirúvic (PEP) ——► PEP carboxilasa ——► àcid oxalacètic 4C——► àcid màlic 4C
En le cèl·lules de la baina:
àcid màlic ——► CO₂ ——► Cicle de Calvin

6.3.6 Factors que influeixen en la fotosíntesi.

- Intensitat lluminosa (a)

- Cada espècie està adaptada a viure dins d'un interval d'intensitat de llum.
- Hi ha espècies de penombra i espècies fotòfiles.

-Dins de cada interval, com més intensitat lluminosa més rendiment.
- Si es superen cerst límits es pot produir la fotooxidació irreversible dels pigments.

- Temperatura (d)

- Cada espècie està adaptada a viure dins d'un interval de temperatura.
- Dins de cada interval, com més temperatura més eficiència.
- Si es superen certs límits es pot produir la fdesnaturalització dels enzims.

- Concentració de {CO₂} (b)

- Si la intensitta lluminosa és alta i costant.
- Si augmenta la {CO₂}  augmenta el rendiment fins arribar a un valor a partir del qual s'estabilitza.

- Concentració de {O₂} (c)

- Com més alta és la {O₂}  menor és el rendiment fotosintètic ja que augmenta la fotoresspiració.

- Disponibilitat d'aigua

- A menor disponibilitat d'aigua en el sòl menor és el rendiment fotosintètic.
- Es tanquen els estomes, augmenta la fotorespiració.
- Les plantes C4 són més eficaces que les C3.

 

6.3.7 Fotosíntesi anoxigènica

6.4 Quimiosíntesi

Anabolisme autòtrof quimiosintètic = organismes quimioautòtrofs o quimiolitòtrofs
Bacteris que oxiden substàncies inorgàniques i serveix per sintetitzar ATP
Fases:
- Oxidació de les susbtàncies inorgàniques

S'oxiden les susbtàncies inorgàniques, que constitueix la font d'energia pel funcionament de la cadena respiratòria  i l'obtenció d'ATP.
Part de l'ATP s'utilitza per transport invers d'e- en la cadena respiratòria i obtenir així NADH.

- S'utilitza l'ATP i el NADH

Substàncies inorgàniques ——►ATP i NADH ——►substàncies orgàniques
Les vies coincideixen amb la fase fosca de la fotosíntesi.

 

Tipus:
- Bacteris incolors del sofre

- Aerobis obligats 
- Oxiden sofre o compostos de sofre

 

- Bacteris del nitrogen

- Oxiden compostos dee nitrogen
- Bacteris nitrosificants
- Bacteris nitrificants (Nitrobacter): nitrits a nitrats

 

- Bacteris del ferro

- Oxiden compostos ferrosos (Fe²⁺) a fèrrics (Fe ³⁺)
- Transformen dipòsits minerals de carbonats de ferro en jaciments d'òxids de ferro.

- Bacteris de l'hidrogen

- Utilitzen l'hidrogen molecular

6.5 Anabolisme Heteròtrof

Molècules orgàniques simples (mol. precursores) + ATP——►Molècules orgàniques complexes
Té lloc tant en autòtrofs com en heteròtrofs.
Procés de reducció.
Són endergòniques, es necessita l'ATP obtingut en els processos catabòlics i també de la fotosíntesi i quimiosíntesi dels autòtrofs per tal de formar molècules.

Fases:
- biosíntesis de monòmers a partir de pecursors
- biosíntesi de polímers a partir dels monòmers

6.5.1 Anabolisme dels glúcids

• Gliconeogènesi

Gliconeogènesi: síntesi de glucosa a partir de precursors no glucídics (àcid pirúvic).
Aquest procés té lloc quan la cèl·lula necessita glucosa i no en té (dejuni, eliminar l'aid làctic generat en un esforç aneròbic, transformar l'acid làctic produït pels bacteris dels remugants)

àcid pirúvic (desaminació dels aa) ——►

àcid pirúvic  (transformació àcid làctic) ——►                                                             GLUCOSA
àcid pirúvic (degradació àcids grassos, autòtrofs i bacteris) ——►

La gliconeogènesi no és simplement el procées invers de la glicòlis (Glu —►àcid pirúvic).
Les dues vies coincideixeen en sis passos que són reversibles i difereixen en 3 que són irreversibles.
Passos irreversibles:

- 1) Àcid pirúvic —► àcid fosfoenolpirúvic:

- L'àcid pirúvic entra al mitocondri
- Àcid pirúvic —► enzim piruvat carboxilasa —► àcid oxalacètic —► àcid màlic
àcid màlic (surt del mit) —► àcid oxalacètic  —► àcid fosfoenolpirúvic

- 2) Fructora-1,6-difosfat —► fructosa -6- fosfat

- En el citosol

- 3) Glucosa -6- fosfat —► glucosa

- En el RE i després la glucosa i el P surten al citosol

• Glicogenogènesi o glicogènesi
  

Glicogenogènesi o glicogènesi: síntesi de glicogen a partir de glucosa-6-fosfat.
Té lloc especialment en el fetge i als músculs.

Glu-6-P —► mutasa —►Glu-1-P —►Uridinatrifosfat UTP —►UDP-Glu

UDP- Glu:  ja té prou energia per unir-se mitjançant un enllaç Þ1-4 a una cadena de glicogen.
Hi ha enzims ramificants que tallen petits fragments de la cadena i els insereixen en un altre lloc mitjançant enllaços Þ1-6.

• Amilogènesi
  

Amilogènesi: síntesi de midó.
Es produeix en els plasts de les cèl·lules vegetals.
Procés similar al de gicogenogènesi però la molècula activadora és l'ATP.

6.5.2 Anabolisme dels lípids

 Procés per tal de sintetitzar un triacilglicèrid:

• Síntesi d'acids grassos

Té lloc en el citosol de les cèl·lules heteròtrofes i en l'estroma dels cloroplasts de les cèl·lules  vegetals fotosintètiques.
En el citosol hi ha el complex enzimàtic àcig gras sitetasa (SAG)
Procés:

- Acetil-CoA (2C) surt del mitocondri (ruta catabòlica) al citosol.
Per sortir l'Acetil-CoA(2C) s'uneix a un oxalacetat i forma un citrat.

L'Acetil-CoA (2C) és alliberat en el citosol.
- Acetil-CoA (2C) —►SAG + CO₂ —► malonil-CoA (3C)
- 2 hidrogenacions (-2 NADPH) que activen l'acil iniciador.
S'afegeixen carboni de 2 en 2. Àcid gras iniciador+ malonil-CoA (3C)  —► àcid gras + 2C + CO₂.
Es forma l'àcid plamític (16C).
A partir de l'àcid palmític es formen altres àcids grassos en el RE.
 

• Síntesi de glicerina

• Síntesi de triacilglicèrids

Té lloc en les cèl·lules hepàtiques i en les cèl·lules del teixit adipós.

Components:

- glicerol-3-P (glicerina activada)
- Acil-COA gras (acid gras activat)

 

Formació d'un triacilglicèrid:

glicerol-3-p + acil-CoA gras —►triacilglicèrid + CoA

—► 

6.5.3. Anabolisme dels aminoàcids no esssencials

En els éssers vius hi ha 20aa que formen les proteïnes - aa proteics.
També hi ha aa no proteics.
No tots els éssers vius són capaços de sintetitzar els 20 aa proteics

- aa essencials: 8 aa que els humans i altres animals no podem sintetitzar i per tant s'han d'ingerir en la dieta.
- aa no essencials: 12 aa que podem sintetitzar

Les plantes són capaços de sintetitzar-los tots.
Alguns microorganismes poden i altres no.

6.5.4. Anabolisme dels nucleòtids.

- Síntesi a partir del productes de la hidròlisi de nucleòtids preexistents: pentoses (ribosa, desoxirribosa) àcid fosfòric i bases nitrogenades (A,T,C,G,U).
- Síntesi de nou: diferents si són púriques o pirimidíniques.

• Síntesis de nucleòtids amb bases púriques.

ribulosa-5-p —►anell púric (aa glutamina, àc aspàrtic i glicina) —► àcid inosínic —► aminacions —► AMP i GMP

• Síntesi de nucleòtids amb bases pirimidíniques.

àcid aspàrtic + glutamina + aspartat + CO2 —►àcid oròtic + monofosfat de ribosa —►monofosfat d'orotidina —► UMP, CMP, TMP

 

 

---

7. La reproducció i la relació de la cèl·lula

El tercer postulat de la teoria cel·lular (Virchow) afirma que “tota cèl·lula procedeix d’una altra cèl·lula
preexistent”.  Això significa que, una vegada acabat el desenvolupament, tota cèl·lula té dues possibilitats: dividir-se quan arriben a una certa mida o morir si ha perdut la capacitat de divisió.
En les espècies eucariotes pluricel·lulars es poden distingir dos tipus de divisió cel·lular, segons el nombre de cromosomes de han de ternir les cèl·lules filles:

- Mitosi. Les cèl·lules filles tenen elmateeeix nombre de cromosomes qu la progenitora.
- Meiosi. Les cèl·lules filles tenen la meitat de cromosomes que la progenitora.

7.1 Cicle cel·lular

En la vida cel·lular podem distingir 4 etapes:

- naixement
- creixement
- diferenciació
- reproducció i si no es reprodueix mort cel·lular (apoptosi - autolisi ruptura dels lisosomes de la pròpia cèl·lula)

Durant la vida de la cèl·lula els orgànuls són renovats constatment i els cloroplasts i mitocondris es divideixen constantment.
La durada de la vida cel·lular és molt variable (8h - 200 dies, altres duren anys o tota la vida d'un individu)
En els organismes pluricel·lulars, el ritme de reproducció cel·lular:

- Com a mínim a de compensar el ritme de mort cel·lular.
- Depèn del tipus de cèl·lula. Hi ha cèl·lules de ràpida de regeneració (pell, epitelial intestinal o pulmonar) i d'altres que han perdut la capacitat de reproducció (fibres musculars o neurones).
- Depèn del tamany del citoplasma, quan el citoplasma és massa gran perquè el nucli pugui controlar-lo la cèl·lula es divideix.
- Depèn de la relació entre la superfície i el volum, si és massa petita per alimentar el citoplasma la cèl·lula es divideix.
- Depèn de l'ancoratge, la reproducció s'estimula si hi ha contacte amb una superfície.
- Augmenta amb la disponibilitat d'espai.
- Augmenta amb la presència de factors de creixement o agents mitògens.

Cicle cel·lular o cicle vital: perìode de temps que va des del moment en què una cèl·lula es forma - naix fins que es divideix i genera altres cèl·lules filles.

- Interfase

- G1

- S

- G2

- Divisió o fase M

- Mitosi o cariocinesi

- Profase
- Metafase
- Anafase
- Telofase

- Citocinesi

• Interfase
  

Interfase: és l'etapa més llarga (94% del temps del cicle cel·lular), en la qual el nucli presenta l'embolcall nuclear complet i no poden distingir-se els cromosomes.

- G1: (Gap - interval) període que transcorre entre el final d’una mitosi i l’inici de la síntesi
d’ADN.

- La cèl·lula augmenta de volum fins arribar a la mida de la seva forma cel·lular típica,

- Síntesi d'ARNm i de proteïnes (transcripció i traducció). Diferenciació cel·lular.
- La durada varia segons el tipus de cèl·lula (en un cicle imaginari de 24h, G1 duraria 11h). Pot durar hores, dies o anys.
 - Prop del final de la fase es produeix l’acumulació de les substàncies necessàries per a la divisió cel·lular (una activa síntesi proteica, de proteïnes no histones i de histones, els enzims necessaris per la replicació, i augmenta el número de microtúbuls i de centríols).
- Al final de G1 es troba el punt de control G1, punt de no-retorn, punt de restricció R (en mamífers)
- G0: quan una cèl·lula es passa dies o mesos en G1 sense arribar al punt R es diu que entre en G0. Posteriorment poden tornar a la fase G1 o quedar retingudes en G0 i no arribar mai a la fase S.

- S: (síntesi)

- Duplicació - replicació de l'ADN. Cada cromosoma es duplica i queda format per dues cromàtides idèntiques
- Continua la síntesi de l'ARNm i de proteïnes, sobretot histones.
- Es comença a duplicar el centríol.
- No hi ha creixement cel·lular.
- En un cicle imaginari de 24h, S duraria 8h.

- G2: (Gap - interval)

- Comença quan acaba la síntesi de l'ADN i acaba en el moment en què es poden distingir els cromosomes
- Continua la síntesi de l'ARNm i de proteïnes, sobretot histones H1 i proteïnes dels microtúbuls del fus mitòtic.
- En un cicle imaginari de 24h, G2 duraria 4h.

    

Control del cicle cel·lular

• Divisió o fase M

Divisió o fase M:  És la etapa final, en la qual poden distingir-se els cromosomes.

- Mitosi o cariocinesi: procés del cicle cel·lular en què a partir d'una cèl·lula mare, naixen dues cèl·lules filles amb idèntica dotació comosòmica.
- Si n és el nombre de tipus diferents de cromosomes, dotació haploide. En els éssers diploides, a partir d'una cèl·lula amb 2n cromosomes s'obtenen dues cèl·lules amb 2n cromosomes, amb la mateixa dotació cromosòmica.
La mitosi fa que en un éssers pluricel·lular totes les cèl·lules somàtiques tenguin la mateixa dotació cromosòmica que el zigot. És la diferenciació cel·lular (expressió de diferents gens) que fa que hi hagi l'especialització cel·lular.
- En un cicle imaginari de 24h, duraria 1 - 2h.

-Profase

- Comencen a veurer-se el cromosomes (fibra 100 A —► 300A). Cr profàsic.

- Desapareix el o els nuclèols

- Es formen dos centrosomes per duplicació
- Els centrosomes s'allunyen un de l'altre per l'allargament dels microtúbuls polars o fibres polars. Addició de tubulina.
Profase tardana
- Es fragment l'embolcall nuclear
- Es forma en cinetocor o placa cinetocòrica a l'altura del centròmer de cada cromàtide.
- Els microtúbuls de cada centrosoma es fixen al cinetocor. S'inicia un estira i arronsa que produeix el moviment dels cr cap al centre de la cèl·lula i l'orientació de les cromàtides, cada una cap a un dels pols.
- Duració 15 minuts.

- Metafase

- El microtúbuls creixen per l'extrem final del cinetocor, fins a situar el cr en l'equador de la cèl·lula formant una placa imaginària: la placa metafàsica o equatorial.
- Els microtúbuls de l'aster creixen cap a la membrana plasmàtica.

- Els microtúbuls polars i els cinetocòrics formen els fus mitòtic.

- Duració 20 minuts.

- Anafase

- Les dues cromàtides germanes es separen. Es formen els cr anafàsics amb una sola cromàtide.
- La proteïna motora situada en el cinetocor desplaça el cr anafàsic cap als pols.

          - Els microtúbuls cinetocòrics s'acurcen perdent tubulina.
- Telofase

- Comença la descondensació dels cromosomes.
- Es construeix un nou embolcall nuclear a partir de les restes de l'antic embolcall i del RE.

- Comença la transcripció i apareixen els nuclèols a partir de les regions organitzadores de nuclèols.

- Els microtúbuls polars se separen del material pericentriolar. S'ajunten  i formen feixos en la interzona o zona intermèdia. Formen els cilindres de substància densa importants en la citocinesi.

- Citocinesi: divisió del citoplasma. És el procés que consisteix en la separació física del citoplasma en dues cèl·lules filles al final de la telofase. És un procés distint al de la mitosi (divisió nuclear) encara que estan sincronitzats. Aquest procés varia segons es realitzi a una cèl·lula

vegetal o animal.

- Bipartició: dos citoplasmes fills iguals, cada un conté un nucli.

- Estrangulació: (cel animal superior) un anell contràctil format per actina i miosina unida a la cara interna de la membrana plasmàtica, estrangula el citoplasma i es formen dues cèl·lules filles.

- Fissuració: s'invagina a l'altura del solc de divisió en el pla equatorial del fus.
- Septació: (plantes i algues) creació d'un septe per unió de vesícules de l'aparell de Golgi carregades de pectina. A les cèl·lules vegetals, a nivell de la placa equatorial es situen vesícules de l’AG. Aquestes vesícules, les quals contenen els materials de la paret cel·lular, es fusionen entre sí i amb la membrana plasmàtica fragmoplast, format i  formen per un dues membranes plasmàtiques i dues capes de cel·lulosa separades per una làmina de pectina central que les uneix.

- Gemmació: dos citoplasmes fills desiguals, posteriorment el nucli es divideix en dos i el citoplasma es divideix per estrangulació. Les dues cèl·lules filles, desiguals, encara queden adherides entre si durant molt de temps.

- Pluripartició: el citoplasma de la cèl·lula mare, plurinucleada, dóna lloc a tantes cèl·lules filles com nuclis conté.

 

 

 

  Mitosi
Real microscopis mitosis

Walther Flemming (Sachsenberg, 21 d'abril de 1843 - 4 d'agost de 1905) va ser un biòleg alemany i un dels fundadors de la citogenètica.
Fent ús de tints d'anilina fou capaç de trobar una estructura que absorbeix els tints fortament basòfils, que ell anomenà cromatina. Identificà que la cromatina es correlacionava amb estructures filiformes al nucli cel·lular, els cromosomes (literalment «cos de color» en grec).
Flemming investigà el procés de la divisió cel·lular i la distribució dels cromosomes dels nuclis fills, un procés que anomenà mitosi del terme grec «fil». Va deduir per primera vegada que tots els nuclis de les cèl·lules provenien d'un altre nucli predecessor (encunyant la frase omnis nucleus e nucleo, com la frase de Virchow omnis cellula e cellula).

7.2 Reproducció sexual i asexual

Reproducció: procés pel qual els éssers vius generen nous individus.

Pot ser:

• R. Sexual:
  

- Els descendents són genèticament diferents del progenitor o progenitors.
- Els progenitors generen unes cèl·lules haploides, cel reproductores sexuals, mitjançant el procés de meiosi.
- En la meiosi el nombre de cr es redueix a la meitat i cada cr és fruit d'una recombinació a l'atzar dels gens dels dos cr homòlegs. Els cr són diferents en cada cèl·lula sexual.
- Les cèl·lules poden ser:

- Gàmetes: (animals i plantes) el gàmeta masculí s'uneix al gàmeta femení i generar el zigot.
Les espècies diploides generen els gàmetes per meiosi i les espècies haploides les generen per mitosi.
- Meiòspores: (plantes i fongs) la meiòspora pot donar lloc a un nou individu sense necessitat d'unir-se a una altra.

- Els dos progenitors aporten informació genètica i es poden generar moltes combinacions diferents de gens.
- Les diferents combiacions de gens dóna variabilitat a l'espècie i més probabilitat de sobreviure als canvis ambinetals.
- La variabilitat genètica és deguda a:

- Recombinació de gens en cada cromosoma (Meiosi I - Profase I - Paquité)
- Combinacions a l'atzar de cromosomes (Meiosi I - AnafaseI)
- Influència de l'atzar en la fecundació

- Inconvenients:

- En un ambient sense canvis la variabilitat disminueix la capacitat de supervivència de l'espècie.
- És un procés dificultós i en el qual s'ha d'invertir molta energia: formació de gàmetes (s'han de produir molts gàmetes perquè es pugui produir la fecundació.), recerca de parella, unió de individus diferents, la fusió dels gàmetes (almenys un dels gàmetes ha de ser mòbil per poder trobar-se amb l'altre, la fecundació ha de ser en un medi aquàtic, la qual cosa dificulta la fecundació en el organismes terrestres), desenvolupament del zigot.

• R. Asexual:
  

- Un sol individu - progenitor.
- Els descendents són genèticament idèntics al progenitor.
- Un sol individu és capaç de produir molts descendents adaptats al medi

- Inconvenients:

 

- Progenitors i descendents són iguals per aixó un canvi ambiental negatiu pot provocar la mort de tots (són idèntics i tots reponen de la mateixa manera davant un canvi).

 

- Avantatges:

- Només és necessita un progenitor (no ha de cercar parella).
- És un procés ràpid i molt efectiu: un sol individu en poc temps produiex nombrosos descendents en les condicions ambientals adequades i suficient aliment.

 

- Asexual: algues, protozous, fongs, protoctists.
Asexual a animals

- unicel·lulars: bipartició, gemmació, esporulació
- pluricel·lulars: gemmació, escissió o fragmentació, regeneració

Asexual a plantes: vegetativa (estolons, bulbs, tubercles), esporulació

7.3 Meiosi

Procés pel qual es generen cèl·lules amb la meitat de cromosomes que la cèl·lula mare.
És imprescindible en la reproducció sexual per a la formació dels gàmetes. L’objectiu és reduir a la meitat el contingut cromosòmic de les cèl·lules filles. La meiosi té lloc en organismes amb reproducció sexual i condueix a la formació de gàmetes. En els òrgans reproductors masculins, les cèl·lules resultants de la meiosi són els espermatozous, mentre que en els òrgans femenins, només una de les quatre cèl·lules serà funcional i és l’òvul (acumularà pràcticament tot el material citoplasmàtic). A les plantes les cèl·lules resultants de la meiosi s’anomenen megàspores (les femenines) i micròspores (les masculines).

Inclou dues divisions successives:
- Meiosi I - reduccional. 2n —► n + n
- Meiosi II - duplicativa - normal n + n —► n + n + n + n

- Interfase

- G1

- S: duplicació de l'ADN

- G2

- Meiosi

- Meiosi I

- Profase I

- Comencen a veurer-se el cromosomes (fibra 100 A —► 300A). Cr profàsic.
- Els dos cr homòlegs s'ajunten i formne un parell bivalent o tètrada

- Es produeix un intercanvi de segments d'ADN.
- La profase I pot durar mesos o anys segons l'espècie.

- Fases:

- Leptoté

- Els filament d'ADN es condensen i apareixen els cr.
- Els cr estan duplicats però no seperats i presenten 2 cromàtides.

- Zigoté

- Els cr homòlegs es reconeixen i s'ajunten - sinapsi
- L'aparee¡llament és total, gen a gen - complex sinaptonèmic

- El complex es forma gràcies a filaments proteics (eix lateral i central)

- Paquité

- Les cromàtides germanes s'entrecreuen en un, dos o tres punts.
- Entrecreuament: ruptura de les dues dobles hèlixs i posterior unió alternada

- Es produeix recombinació genètica: intercanvi de material genètic entre cromàtides homòlogues.
- Els dos cr estan molt junts i no es poden observar els entrecreuaments al microscopi.

- Diploté

- El cr homòlegs tendeixen a separar-se.
- Es veuen els punts d'unió - quiasmes.

- Diacinesi

- Els cr homòlegs augmenten la condensació.
- Es distingeixen el cr homòlegs, les dues cromàtides germanes de cada un i els quiasmes.

- Metafase I

- Desapareixen l'embolcall nuclear i els nuclèols
- El cr homòlegs junts (bivalents o tètrades), es col·loquen en el pla equatorial (placa metafàsica)

- Anafase I

- Es separen els cr homòlegs i migren cap a pols oposats

- Telofase I

- En unes espècies: els cr es descondensen un poc i es forma un embolcall nuclera de curta durada abnas d'iniciar la segona divisió.
- En altres espècies s'inicia la sengona divisió

- Citocinesi

- Intercinesi: breu interfase sense duplicació de l'ADN.
- Meiosi II

- Profase II

- Es trenca l'embolcall nuclear.

- Es dupliquen els diplosomes.
- Es forma el fus mitòtic.

- Metafase II

- Els cr es disposen en la placa equatorial.

- Anafase II

- Les dues cromàtides de cada cr se separen.
- Els cr fills migren cap a pols oposats.

- Telofase II

- Els cr es descondensen.
- Es forma l'embolcall nuclear.

- Citocinesi

 

Meiosi
  Real Meiosi
  Recombinació genètica

7.4. Comparació Mitosi - Meiosi

7.5. Relació

Relació: capacitat de la cèl·lula de rebre estímuls i emetre respostes adequades.

Estímul: variació en les condicions ambientals que afecten a la cèl·lula i hi provoquen una resposta.

- Poden ser:

- Físics: tèrmics, lluminosos, pressió
- Químics: molècules missatgeres, hormones (Sist. endocrí) o neurotransmissors (S.N.) que actuen com a senyals sobre les cèl·lules específiques per a cada una d'aquestes molècules. Sistema de comunicació intercel·lular o de senyalització cel·lular.

Receptor de senyal o primer missatger: proteïna de membrana o proteïnes disperses al citosol que quan s'uneixen de manera específica al missatger sofreixen un canvi conformacional que constitueix una senyal.
Els seus metabòlits reben el nom de molècules transmissores o segons missatgers (proteïnes o altres com l'AMPc)

Respostes
Hi ha molts de tipus de respostes:
- Actuar damunt la membrana i provocar l'obertura de proteïnes de canal.
- Activar enzims que influiran en el metabolisme
Primer Missatger - Epinefrina - o glucagó ⇒
S'uneix al receptor de membrana ⇒
Activa la proteïna G ⇒
La prot G activada activa l'enzim adenilat ciclasa ⇒
Es produeix AMPc - segon missatger ⇒
L'AMPc activa l'enzi proteincinasa A (PKA) ⇒

- Activar l'expressió de determinats gens que induiran la síntesi de determinades proteïnes.
Primer missatger - hormona - factor de creixement ⇒
S'uneix al receptor de membrana ⇒
Fosforilacions succesives ⇒
Activa un factor de transcripció ⇒ ARNm ⇒ Proteïna

---

Bloc 3: GENÈTICA I EVOLUCIÓ

Continguts

La genètica molecular o química de l’herència. Identificació de l’ADN com a portador de la informació genètica. Concepte de gen.
Replicació de l’ADN. Etapes de la replicació. Diferències entre el procés de replicació d’eucariotes i procariotes.
L’ARN: tipus i funcions.L’expressió dels gens. Transcripció i traducció genètiques en procariotes i eucariotes. El codi genètic en la informació genètica.
Les mutacions. Tipus. Els agents mutagènics.
Mutacions i càncer.
Implicacions de les mutacions en l’evolució i aparició de noves espècies.
L’enginyeria genètica: principals línies actuals de recerca. Organismes modificats genèticament.
El Projecte Genoma Humà. Repercussions socials i valoracions ètiques de la manipulació genètica i de les noves teràpies gèniques.
Genètica mendeliana. Teoria cromosòmica de l’herència. Determinisme del sexe i herència lligada al sexe i influïda pel sexe.
Evidències del procés evolutiu.
Darwinisme i neodarwinisme: la teoria sintètica de l’evolució.
La selecció natural. Principis. Mutació, recombinació i adaptació.
Evolució i biodiversitat.

Criteris d’avaluació / Estàndards d’aprenentatge avaluables

1. Analitzar el paper de l’ADN com a portador de la informació genètica.
   1.1. Descriu l’estructura i composició química de l’ADN i en reconeix la importància biològica com a molècula responsable de l’emmagatzemament,
    la conservació i la transmissió de la informació genètica.
2. Distingir les etapes de la replicació i diferenciar els enzims que hi estan implicats.
   2.1. Diferencia les etapes de la replicació i identifica els enzims que hi ha implicats.
3. Establir la relació de l’ADN amb la síntesi de proteïnes.
   3.1. Estableix la relació de l’ADN amb el procés de síntesi de proteïnes.
4. Determinar les característiques i funcions dels ARN.
   4.1. Diferencia els tipus d’ARN, així com la funció de cada un en els processos de transcripció i traducció.
   4.2. Reconeix les característiques fonamentals del codi genètic i aplica aquest coneixement a la resolució de problemes de genètica molecular.
5. Elaborar i interpretar esquemes dels processos de replicació, transcripció i traducció.
   5.1. Interpreta i explica esquemes dels processos de replicació, transcripció i traducció.
   5.2. Resol exercicis pràctics de replicació, transcripció i traducció i d’aplicació del codi genètic.
   5.3. Identifica i distingeix els enzims principals relacionats amb els processos de transcripció i traducció.
6. Definir el concepte de mutació i distingir els tipus principals de mutació i els agents mutagènics.
   6.1. Descriu el concepte de mutació i estableix la relació que té amb les errades en la transmissió de la informació genètica.
   6.2. Classifica les mutacions i identifica els agents mutagènics més freqüents.
7. Contrastar la relació entre mutació i càncer.
   7.1. Associa la relació entre la mutació i el càncer i determina els riscs que impliquen alguns agents mutagènics.
8. Desenvolupar els avenços més recents en l’àmbit de l’enginyeria genètica i les aplicacions que se’n deriven.
   8.1. Resumeix i duu a terme recerques sobre les tècniques desenvolupades en els processos de manipulació genètica per obtenir organismes transgènics.
9. Analitzar els progressos en el coneixement del genoma humà i la influència que tenen en els nous tractaments.
   9.1. Reconeix els descobriments més recents sobre el genoma humà i les aplicacions que tenen en enginyeria genètica, i en valora les implicacions ètiques i socials.
10. Formular els principis de la genètica mendeliana, aplicar les lleis de l’herència a la resolució de problemes i establir la relació entre les proporcions de la descendència i la informació genètica.
   10.1. Analitza i prediu, aplicant els principis de la genètica mendeliana, els resultats d’exercicis de transmissió de caràcters autosòmics, caràcters lligats al sexe i influïts pel sexe.
11. Diferenciar diverses evidències del procés evolutiu.
   11.1. Argumenta diferents evidències que demostren el fet evolutiu.
12. Reconèixer i distingir els principis de les teories darwinista i neodarwinista.
   12.1. Identifica els principis de les teories darwinista i neodarwinista i en compara les diferències.
13. Relacionar genotip i freqüències gèniques amb la genètica de poblacions i com influeixen en l’evolució.
   13.1. Distingeix els factors que influeixen en les freqüències gèniques.
   13.2. Comprèn i aplica models d’estudi de les freqüències gèniques en la recerca privada i en models teòrics.
14. Reconèixer la importància de la mutació i la recombinació.
   14.1. Il·lustra la relació entre mutació i recombinació, l’augment de la diversitat i la influència que tenen en l’evolució dels éssers vius.
15. Analitzar els factors que incrementen la biodiversitat i com influeixen en el procés d’especiació.
   15.1. Distingeix diversos tipus d’especiació i identifica els factors que possibiliten la segregació d’una espècie original en dues espècies diferents.

---

1. Genètica Mendeliana

1.1 Mendel

Teoria genètica de la mescla.
En l'antiguitat ,es considerava que els descendents presentaven característiques intermèdies a les dels progenitors.
Per a generar una nova varietat, es seleccionaven els descendnets que manifestaven els caràcters desitjats i aquests s'utilitzaven com a reproductors (selecció artificial).
El procés es repetia fins a conseguir varietats o races pures, per tant que tots els individus i els seus descendents presentaven aquell caràcter.

Mendel i la pesolera (Pisum sativum)

- És fàcil de cultivar
- Creixement ràpid (poc temps, moltes generacions)
- Varietats amb característiques fàcilment observables.
- Es reprodueixen per autopol·linització, però es pot efr una pol·linització artificial.
- Va escollir 7 caràcters:

1r Llei de Mendel- Llei de la uniformitat de la primera generació filial.

2n Llei de Mendel - Llei de la segregació de la segona generació filial.

3r Llei de Mendel - Llei de la independència del caràcters.

Altres tipus d'herència que no segueixen dominant completa

• Herència amb dominància incompleta

L'al·lel dominant no arriba a anul·lar completament la informació de l'al·lel recessiu.
Els híbrids tenen un fenotip intermedi entre les dues races pures.

• Herència amb codominància

Els dos gens al·lels són equipotents. No hi ha dominància.
Els híbrids presenten les característqiues de les dues races pures alhora.

• Al·lelisme múltiple.
  

Més de dos al·lels diferents d'un mateix gen.
Grups sanguinis del sistema ABO humà.

• Herència poligènica
  

Els caràcters que Mendel va estudiar són qqualitatius, és a dir, es posseeixen o no posseeixen.
Alguns caràcters s'anomenen quantitatius, ja que presenten una variació contínua en la població.
Pe: alçada, pes, coeficient d'inteligència.
Gens poligens. Herència poligènica: són gens que tenen efcetes acumulatius o estableixen una jerarquia.

• Pleotropia
  

Un sol parell de gens homòlegs és responsable de diversos trets.

• Epístasi

Dos o més gens que ocupen diferents locus interaccionen de manera jeràrquica per a definir un sol caràcter.

• Expressivitat i penetració

Expressivitat: gru en què es manifesta un gen.
Penetració: proporció d'individus que tenit aquesta infromació, la manifesten.

Definicions:

Herència biològica: transmissió de trets morfològics i fisiològics d'una generació a la següent.
Caràcter: cada una de les particularietats morfològiques, fisiològiques o moleculars que poden reconèixer un individu.
Manifestacions: diferents aspectes que poden distingir-se dins d'un mateix caràcter.

1.2. Teoria cromosòmica de l'herència

Els factors hereditaris es troben en els cromosomes.
Conclusió que es va arribar en observar el paral·lelisme que hi ha entre l'herència dels factors hereditaris mendelians i el comportament deel cromosomes durant la meiosi i la fecundació.
- Igual que per a cada caràcter hi ha un factor heretat d'un progenitor i un altre factor heretat d'un altre progenitor, el nombre de cr dels organismes diploides també és doble, un heretat d'un progenitor i un altre de l'altre progenitor.
- Cada parella de cr es van denominar cr homòlegs.
- Un gen ocupa una posició específica al cr,  denominada locus.
- Heterocromosomes o cr sexuals, parella de cr distints entre sin(mascle XY, femella XX)
- La resta de cr s'anomenen autosomes o cr autosòmics.

1.3 Gens lligats

Gens lligats: gens que es troben en el mateix cromosoma i tendeixen a heretar-se junts. ś un desviament respecte de la segregació independent.
Amb el coneixement que es tenia de l'entrecreuament o recombinació de gens:
- Cada gen es troba en un lloc específic - locus (plural loci)
- Els gens al·lels ocupen un mateix locus. existent entre aquests gens.
- Els cr homòlegs són aquelles que tenen els mateixos loci.
- Si dos gens lligats s'hereten seperadament, pot deduir-se que s'ha produït entrecreuament durant la meiosi, just en el segment.
- Les freqüències de recombinació seran majors com més llunyans es troben els gens, ja que és més probable que es produeixi un entrecreuament entre gens que es troben seperats que entre els que es troben junts.
- S'han elaborat mapes comosòmics amb les localitzacions relatives dels gens al llarg d'un cromosoma determinat
 

1.4. Sexe del individus

Organismes amb reproducció sexual.
Organismes amb sexe són aquells que són capaços de produir cèl·lules sexuals - gàmetes:

- mascle: individus que generen gàmeetes mòbils (esspermatozoides, anterozoides)

- femella: individus que generen gàmetes sèssils (òvuls, oosferes)
- hermafrodites individus que generen gàmetes dels dos tipus

Determinació del sexe:

- Heterocromosomes: individus que de la seva dotació cromosòmica tenen una parella de cromosomes (2cr) que determina el sexe.

- Cromosomes sexuals o heterocromosomes
- Cr X i Y
- XX sexe homogamètic: femella o mascle (Ex: humans XX - femella, ocells ZZ - mascle, papallones ZZ - mascle)
- XY sexe heterogamètic: mascle o femella (Ex: humans XY - mascle, ocells ZW - femella, llagost X0 - mascle, papellones Z0- femella)
- En l'home el sexe masculí depèn del gen SRY (sex-determining region Y) situat en el braç curt del crY.
Per traslocació al cr XX, pot passar que hi hagui dones XY o homes XX.
 

- Haplodiploïdia:
Abelles. La Reina possa dos tipus ous.

- Òvuls fecundats - diploides

- larves alimentades amb mel —►femelles estèrils - obreres
- larves alimentades amb gelea reial  —►femelles fèrtils - reines

- Òvuls sense fecundar - haploides —► partenogènesi  —► mascles (produeixen espermatozoides per mitosi)

- Una sola parella de gens:

El sexe de l'individu ve determinat per una sola parella de gens.

- Equilibri genètic:
Drosophila melanogaster.
El cr X té una càrrega de feminitat =1
Cada parella d'autosomes té una càrrega de masculinitat =1
crX/autosomes =

<0,5 super mascle
0,5 mascle
>0,5 <1 intersexe
1 femella
>1 superfemella
 

- Ambiental:
Cucs marins. Les larves naden lliurament, les larves qque es fixen sobre les roques donen lloc a femelles i amb una trompa atrapen a altres larves que es convertiran en mascles.

- Inversió sexual:

Organismes que durant una època de la seva vida són d'un sexe i després són del sexe contrari.

- Plantes:

Cèl·lules diploides que per meiosi donen

- Flors hermafrodites: estams + pistil
- Flors masculines: estams
- Flors femenines: pistil
En plantes monoiques: plantes masculines i femenines en el mateeix peu

Plantes dioiques: individus masculins i femenins separats: sexe determinat d'una parella de gens.
Altres casos excepcionals ve determinat per heterocromosomes.

1.5. Herència i cromosomes sexuals

Cr X i cr Y són molt diferents

- Segment homòleg: gens pels mateixos caràcters, permet l'aparellament (sinapsi) en la meiosi
- Segment diferencial: gens  per els caràcters lligats al sexe -

- gens ginàndrics: gens situats en el segment diferencial del cr X
- gens holàndrics: gens situats en el segment diferencial del cr Y

• Caràcters influits pel sexe

• Herència lligada al sexe

---

2. L'ADN, portador del missatge genètic

1. Àcids nucleics: ADN i ARN.

1.1 Els àcids nucleics

Components dels àcids nucleics:
- sucre

- ribosa - ARN
- desoxirribosa - ADN

- bases nitrogenades

Púriques
- A - Adenina

 - G - Guanina
Pirimidíniques
- C - Citosina
- T - Timina - ADN
- U - Uracil - ARN

- grup fosfat: àcid fosfòric

  
 

  

La unió d'un sucre + base nitrogenada + grup fosfat = nucleòtid.
La unió entre nucleòtids es fa mitjançant l'enllaç fosfodiéster.

Queda un extrem lliure 3' hidroxil i un altre extrem lliure 5' del grup fosfat. 

L’elucidació de l’estructura de l’ADN per James Watson i Francis Crick, al 1953, fou un dels descobriments més apassionants de la història de la genètica.
Va obrir al camí a la comprensió en termes moleculars de l’herència i de la forma d’actuar dels gens.
Però abans de conèixer l’estructura de l’ADN, anem a resumir el que es sabia sobre els gens i sobre l’ADN abans que Watson i Crick comencessin el seu treball:
- Es sabia que els gens – factors hereditaris – descrits per Mendel, estaven associats a caràcters específics, però la seva naturalesa física era desconeguda.
- Al 1871, Miescher, va descobrir que el nucli de les cèl·lules contenien una substància àcida que va anomenar àcid nucleic.
- Es sabia que els gens estaven situats en els cromosomes.
- Es va descobrir que els cromosomes estaven formats per ADN i proteïnes.
- Al 1928, Frederick Griffith i més tard al 1944, Avery, McLeod i McCarty , van demostrar que l’ADN és la partícula portadora de la informació genètica.
- La teoria “un gen – un enzim” defensava que els gens controlaven l’estructura de les proteïnes.

1.2. Experiment de Griffith

 

L'experiment de Griffith  (1928), fou un dels primers experiments que suggeriren que els bacteris eren capaços de transferir informació genètica a través del procés de transformació bacteriana.
Griffith usà dues soques de pneumococ amb les que infectà ratolins, una soca tipus-S (smooth, llís) i l'altra un tipus-R (rough rugós).
La soca -S es recobreix ella mateixa amb una càpsula bacteriana que la protegeix del sistema immunitari de l'hoste, resultant en la mort de l'hoste, mentre que la soca -R no disposa d'aquesta càpsula protectora i és rebutjada pel sistema immunitari de l'hoste, i, per tant, és menys virulenta.
En l'experiment els bacteris de la soca virulenta -S foren morts per calor i les restes foren afegides en un cultiu de la soca -R. En afegir les restes de bacteris -S morts a bacteris -R vius, aquests darrers aconseguien la capacitat de matar el ratolí en ésser-li inoculats. Griffith conclogué que algun "principi de transformació" s'havia després de les restes de bacteris de la soca virulenta -S morta i havia convertit els bacteris -R en bacteris virulents -S.
Avui en dia, es coneix que el "principi transformant" de Griffith és l'ADN.
La naturalesa exacta del principi transformant fou verificada pels experiments d'Avery, McLeod i McCarty.

1.3. Experiment de Avery

L'experiment d'Avery i dels seus col·laboradors Colin MacLeod i Maclyn McCarty es va realitzar l'any 1943. Mitjançant aquest experiment els científics reixiren a demostrar que el considerat principi trasformant (o sigui el portador de la informació gènica) descobert el 1928 per Griffith era l'ADN.


Griffith proposà que dins l'interior d'una mescla que contingui bacteris morts S i bacteris vius R, ha d'haver hagut un bescanvi d'alguna substància (el material genètic) que hauria conferit virulència als bacteris R (que s'haurien transformat en els S).
L'experiment d'Avery va tractar de determinar quina era aquesta substància.
Avery va fer un cultiu dels pneumococcus del tipus S. En va trencar les cèl·lules (trencant la membrana cel·lular) per obtenir una solució o extracte cel·lular.
Van aconseguir separar l'extracte cel·lular dels seus components macromoleculars i seguidament van intentar entendre quines d'aquestes substàncies podien transformar els bacteris R avirulents en bacteris S virulents. Els animals de laboratori (ratolins) van sobreviure quan van ser tractats amb totes les biomolècules a les quals s'havien retirat els àcids nucleics: per tant el material genètic havia de ser ADN o ARN.
Per esbrinar quina de les dues substàncies era es van tractar les mostres amb dos enzims diferents un d'ells degradava l'ARN i l'altra degradava l'ADN i així es va determinar que el material genètic havia de ser l'ADN.
Hershey i Chase (1952) van confirmar aquestes coclusions. Van treballar amb el bacteriòfag T2, un virus que infecta bacteris.

1.4. La teoria un gen - un enzim

La teoria més ampliament acceptada sobre la manera d'actuar dels proveen dels treballs dels genetistes Beadle i Tatum, amb le moho vermell del pa Neurosporo crassa.

Varen sotmetre la floridura a diferents radiacions per originar individus mutants incapaços de sintetitzar determinats compostos. Aquests organismes defectuosos només sobrevivien si s'afegia al medi el compost corresponent. Van demostrar que els individus mutants tenien un gen afectat, i que això impedia la formcaió d'un enzim.
Un gen conté la informació perquè els aminoàcids s'uneixin en un determinat ordre i formin un enzim.

1.5. La doble hèlix

Després de demostrar el paper tan important de l’ADN en l’herència, molts científics es van disposar a determinar la seva estructura amb exactitud.
Per què... Com podia ser que una molècula amb tants pocs elements diferents pogués emmagatzemar la immensa varietat informativa de les estructures de totes les proteïnes dels éssers vius?
Els primers que van tenir èxit en trobar una estructura raonable per l’ADN van ser:
James Watson i Francis Crick al 1953


Per dur a terme el seu treball tenien algunes pistes:
- La Þ-hèlix de proteïnes obtinguda per Linus Pauling.
- L’estructura de l’ADN obtinguda per difracció de Raigs X de Rosalind Franklin
- El treball realitzat per Erwing Chargaff

- Linus Pauling

Va ser un dels primers científics a aplicar els principis de la mecànica quàntica per a donar explicació als fenòmens de difracció dels raigs X i va assolir descriure satisfactòriament les distàncies i els angles dels enllaços químics entre àtoms de diverses molècules.
El seu treball al costat del químic nord-americà Robert B. Corey el va dur a reconèixer l'estructura helicoïdal de certes proteïnes i va realitzar intents fallits de descriure l'ADN.

- Rosalind Franklin

Imatge 51
Rosalind Franklin, una dona de forta personalitat, va mantenir una relació complexa amb en Maurice Wilkins, qui va mostrar sense el seu consentiment les seves imatges de difracció de raigs X de l'ADN a James Watson i a Francis Crick. S'admet que cap altra inspiració fou tan forta com aquesta per la seva publicació, el 1953, de l'estructura de l'ADN^.
Aquest descobriment no fou casual, sinó que Franklin va demostrar la seva habilitat per obtenir les millors imatges i per interpretar-les correctament en la investigació d'altres objectes, com l'estructura del grafit o la del virus del mosaic del tabac.
Franklin va morir prematurament, de càncer d'ovari, el 1958 a Londres, amb tota probabilitat per efecte de les repetides exposicions a les radiacions en el curs de les seves investigacions.

- Lleis de Chargaff

Chargaff, analitzant les bases nitrogenades de l'ADN en diferents formes de vida, va descobrir dues regles que van ajudar la descoberta de la doble hèlix de l'ADN. Lleis de Chargaff:
- Primera llei
La quantitat de bases Adenina (A) és igual a la quantitat de Timina (T), i la quantitat de bases Guanina (G) és igual a la quantitat de Citosina (C). De manera que la suma de bases nitrogenades púriques (A i G) és igual a la suma de les pirimidíniques (T i C). Així s'estableix la complementarietat de les bases nitrogenades en l'ADN.
- Segona llei

La proporció de bases nitrogenades és semblant en els diferents òrgans d'un mateix organisme, però que aquestes proporcions són específiques i diferents per a cada espècie.

Aquests resultats refutaven creences prèvies que afirmaven que l'ADN era la repetició de les quatre bases amb una monotonia i sense cap altra rellevància. Des d'aleshores, la comunitat científica va començar a creure que era en l'ADN i no en les proteïnes on es determinava l'especificitat molecular biològica dels organismes.

ADN

Segons el model de la doblehèlix:

- La molècula d'ADN consisteix en una hèlix doble, ja que està formada per dues cadenes de nucleòtids enrotlladas al llarg d'un eix comú.
- Aquesta doble hèlix és dextrogira.
- Dóna un gir complet cada 3,4 nm.
- Les dues cadenes es disposen en sentits oposats, és a dir, una en sentit 3' → 5' i l'altra en sentit 5' → 3'. Les dues cadenes són, per tant, antiparal·leles.
- Les bases nitrogenades són a l'interior de la doble hèlix, amb els plans dels seus anells perpendiculars a l'eix de l'hèlix, mentre que els esquelets pentosa-fosfat de les dues cadenes es troben a la part exterior.
- La distància entre cada parell de bases és de 0,34 nm i com que la doble hèlix fa una volta completa cada 3,4 nm, conté 10 parells de bases per volta.
- Les dues cadenes queden unides per ponts d'hidrogen formats entre la base nitrogenada d'una cadena i la de l'altra cadena amb la qual queda enfrontada. Els aparellaments sempre són entre A-T i G-C, és a dir, sempre s'enfronta una base púrica amb una pirimidínica, i mai dues del mateix tipus. El parell A-T pot formar 2 ponts d'hidrogen i el parell G-C en pot formar 3.
Aquest model mostrava ja la possibilitat que l'ADN pogués complir les següents funcions:
- Contenir la informació genètica codificada a la seqüència de bases. Malgrat que l'ADN estigui forma només per quatre tipus de bases, el número de seqüències possibles i, per tant, la diversitat de la informació emmagatzemada, és enorme.
- Reproduir-se exactament per a originar dues molècules filles idèntiques a la molècula original. Això és absolutament necessari per tal que la informació genètica pugui ser transmesa fidelment i es pot aconseguir gràcies al fet que l'aparellament entre les bases sempre és A-T i G-C. D'aquesta manera, si les dues cadenes se separen, cadascuna pot servir de motlle per a la síntesi d'una nova cadena complementària idèntica a aquella de la qual s'ha separat.
- Un canvi en la seqüència (mutació) pot modificar la informació i aquest canvi pot ser transmès a la descendència.
Les dues cadenes que formen la doble hèlix poden ser separades per diferents mètodes, entre ells la calor. El procés de separació de les dues cadenes s'anomena desnaturalització de l'ADN.

ARN

L'ARN (àcid ribonucleic) és un polímer format per la unió de ribonucleòtids d'A, G, C i U mitjançant enllaços fosfodièster.
L'ARN es troba a totes les cèl·lules eucariotes i procariotes així com als virus d'ARN (els virus mai tenen ARN i ADN alhora), tant mono- com bicatenari.
La major part dels ARN són monocatenaris, és a dir, a diferència de l'ADN la molècula està formada per una sola cadena lineal de ribonucleòtids. Això no obstant, poden tenir zones amb estructura de doble hèlix per aparellament de bases complementàries de la mateixa cadena. Els aparellaments en aquest cas són A-U i G-C.
Tan sols un tipus de virus, els retrovirus, posseeixen ARN bicatenari, amb dues cadenes aparellades i estructurades en una doble hèlix.

A les cèl·lules, l'ARN copia la informació continguda a la seqüència de bases de l'ADN (transcripció) i aquesta informació és traduïda posteriorment a una seqüència de aminoàcids d'una proteïna. Al llarg de tot aquest procés participen diferents tipus d'ARN

- ARN missatger (ARNm). Se sintetitza al nucli de les cèl·lules eucariotes o a la regió nuclear de les procariotes i la seva seqüència de bases és complementària a la d'un fragment d'una de les cadenes de ADN, amb la particularitat que allà on l'ADN tingui una A, l'ARN copiat tindrà un U en comptes d'una T. Un cop sintetitzat, a les cèl·lules eucariotes, surt al citoplasma on s'associa als ribosomes i actua com a matriu sobre la qual s'aniran col·locant, en l'ordre dictat per la seqüència de bases, els aminoàcids que formaran la cadena polipeptídica.

  

 

- ARN de transferència (ARNt). Són molècules que contenen entre 70 i 90 nucleòtids.
Estan formats por una única cadena que presenta estructura secundària gràcies a l'aparellament entre bases complementàries en diferents zones de la molècula.
Aquestes regions de doble hèlix deixen entre elles una sèrie de bucles.
Les molècules presenten una conformació tridimensional en forma de L.
La seva funció és captar aminoàcids i transportar-los als ribosomes, tot col·locant-los en el lloc indicat per la seqüència de l'ARNm.
Les quatre zones de doble hèlix delimiten tres bucles un dels quals conté un triplet específic de bases, l'anticodó, que és complementari d'un triplet de bases de l'ARNm al qual s'unirà, el codó. Un ARNt amb un anticodó específic s'uneix sempre al mateix aminoàcid i no a un altre, la qual cosa resulta essencial per a poder traduir la informació transportada des de l'ADN per l'ARNm.

- ARN ribosòmic (ARNr). És el més abundant a les cèl·lules. Es troba formant part dels ribosomes i, com l'ARNt, presenta zones amb doble hèlix.

 

2. Replicació

Un dels requisits essencials del material genètic és que ha de reproduir-se exactament. Quan Crick i Watson publicaren el model estructural de l'ADN van dir: "L'aparellament específic que hem postulat suggereix directament un possible mecanisme de còpia per al material genètic". En efecte, cada una de les cadenes de la doble hèlix podria actuar com un "motlle" per a dirigir la síntesi d'una nova cadena complementària. Aquest procés de còpia és la replicació de l'ADN.
Meselson i Stahl demostraren al 1958 que la replicació de l'ADN és semiconservativa, és a dir, que les dues molècules d'ADN que passen a la generació següent tenen cadascuna una cadena vella i una de nova. Ara bé, com es copia l'ADN per a formar dues noves cadenes idèntiques a la cadena original?

    

A la replicació de l'ADN intervenen:

- ADN polimerases. Aquests enzims catalitzen la síntesi d'una cadena complementària utilitzant una cadena senzilla d'ADN com a motlle i tenen les següents particularitats:
-Les cadenes d'ADN en formació van creixent sempre en sentit 5' → 3' mentre que la cadena motlle es copia sempre en sentit 3' → 5'.
- L'ADN polimerasa necessita un extrem 3'-OH lliure, és a dir, un petit fragment de cadena nova per a començar a copiar. Com que aquest enzim no pot sintetitzar-lo, ha d'intervenir un altre enzim diferent que sintetitzi aquest fragment inicial anomenat iniciador o encebador o primer.
- Posseeixen activitat exonucleasa. Quan l'aparellament entre la base de la cadena motlle i la base del nou nucleòtid incorporat no és correcte, el nou extrem no queda correctament situat i l'ADN polimerasa elimina el nucleòtid mal aparellat. Aquesta propietat permet que es corregeixin errades que es podrien produir en la còpia de la nova cadena.
- ARN polimerasa: enzim que sintetitza els iniciadors necessaris, petits fragments d'ARN que ofereixen un extrem lliure per tal que pugui actuar l'ADN polimerasa.
- Topoisomerases i helicases, enzims que possibiliten que la doble hèlix s'obri i que eviten el superenrotllament que es podria produir en anar-se separant les dues cadenes.
- Proteïnes SSB, estabilitzadores de les cadenes senzilles d'ADN.
- ADN lligasa, enzim que uneix extrems 3'-OH i fosfat adjacents dins d'una mateixa cadena, tot consumint ATP.

Les dues cadenes d'ADN són antiparal·leles però totes les ADN polimerases conegudes afegeixen nucleòtids en sentit 5' → 3'. D'aquesta manera podria explicar-se la síntesi contínua d'una cadena però no de l'altra.
Al 1968 Reiji Okazaki i Tsuneko Okazaki van demostrar que la cadena que hauria de sintetitzar-se en sentit 3' → 5' se sintetitza en realitat en forma de petits fragments en sentit 5' → 3' d'una manera discontínua. Aquests fragments s'anomenen, en el seu honor, fragments d'Okazaki i quan són complets, els seus extrems són units per l'ADN lligasa.

D'aquesta manera, l'esquema general de la replicació de l'ADN seria el següent:

- La doble hèlix d'ADN s'obre i les regions de cadena senzilla són estabilitzades. En aquest procés intervenen les helicases, topoisomerases i les proteïnes SSB.
- Una ARN polimerasa sintetitza en sentit 5' → 3' una petita molècula d'ARN, l'iniciador. A la cadena de síntesi contínua només és necessari un iniciador; a l'altra cadena se sintetitza un iniciador cada 1.000 - 2.000 nucleòtids.
- L'ADN polimerasa va allargant la cadena incorporant-hi desoxiribonucleòtids a l'extrem 3'-OH lliure. Els nucleòtids s'hi incorporen seguint les regles d'aparellament A-T i G-C. Si un aparellament no és correcte, l'ADN polimerasa elimina el nucleòtid incorrecte. A la cadena de síntesi discontínua, quan l'ADN polimerasa arriba al fragment d'ARN iniciador anterior, l'elimina i omple el forat amb desoxiribonucleòtids.
- Finalment l'ADN lligasa uneix els extrems dels fragments d'Okazaki.

La replicació de l'ADN comença a regions especials de la molècula anomenades orígens de replicació. Degut a la seva forma en Y, la regió de l'ADN en la qual s'està produint la replicació rep el nom de bombolla de replicació.
De fet, a partir d'un origen de replicació la síntesi és bidireccional en tots els organismes, de manera que tenim dues bombollrd de replicació que van avançant en sentits oposats. Als procariotes hi ha un sol origen de replicació, mentre que als organismes eucariotes hi ha molts, i les diverses forquilles de replicació van avançant fins que es troben amb una altra forquilla de replicació o amb l'extrem de la molècula.

Vols veure el procés en marxa?

3. Expressió gènica

 
Dogma central de la biologia molecular

La informació genètica (ADN) és un missatge xifrat.
El missatge s'ha de descodificar (ARN) - Transcripció.
Per a convertir-se finalment en una proteïna - Traducció

 

 

3.1. Transcripció

La transcripció de l'ADN és el primer procés de l'expressió genètica.
Durant la transcripció genètica, les seqüències d'ADN són copiades a ARN mitjançant un enzim anomenat ARN polimerasa.
Aquest procés té lloc en el nucli de la cèl·lula.

L'ARN polimerasa:
- Reconeix un lloc d'inici per la transcripció, l'inici del gen.
- Desenrotlla parcialment la molècula d'ADN, activitat helicasa.
- Sintetitza un l'ARNm seguit les regles de complementarietat de bases, amb l'excepció que la Timina és substituïda per Uracil (G-C /A-U).
- Acaba la cadena i enrrotlla l'ADN.

 1.   2.   3. 
4.

1. Gen: és una seqüència lineal de nucleòtids d'ADN. És la unitat d'emmagatzemament d'informació i unitat d'herència en transmetre aquesta informació a la descendència.
2. Triplet: seqüència de tres nucleòtids en un àcid nucleic i en particular en un ARN missatger.
Codó: Els triplets de l'ADN reben el nom de codó.
3: Exó: és cada un dels segments d'ADN codificants d'un gen que contenen informació i no són eliminats en la maduració de l'ARNm.
Intró: segments d'ADN que no contenen informació i sí que són eliminats durant la maduració.
4. Maduració - Splicing: Eliminació dels introns, addició de un CAP (7-metil guanosina) i una coa de poli-A.

3.2. Traducció

En la traducció l'ARN missatger (mRNA) produït per transcripció es descodifica pels ribosomes per a produir una cadena d'aminoàcids específica o polipèptid, que més tard serà plegada per donar lloc a una proteïna activa.
En els eucariotes la traducció ocorren en el citoplasma o en la membrana del RER.

ARN que intervenen:
- ARNm: porta la informació genètica, transcrita a partir de l'ADN, fins als ribosomes.
- ARNr: forma part dels ribosomes.
- ARNt: transport aels aa als ribosomes.

Ribosomes:
En el complex ribosomal diferenciem tres llocs d'unió.
- Centre A: centre acceptor, és on s'ubica l'aminoacil ARNt que porta l aa que s'ha d'afegir.
- Centre P: centre peptidil, en inciciar-se la traducció es situa el primer el primer aminoacil ARNt i posteriorment l'aminoacil ARNt que s'enllaça a la cadena polipeptídica.
- Centre E: centre d'eixida, lloc on es situa l'ARNt una vegada ha dobat el seu aa i que està a punt de sortir.

Així:
- L'ARNm fabricat surt del nucli a través dels porus nuclears i s'ajunta als ribosomes.
- Els ribosomes llegeixen el missatge en grups de tres nucleòtids - codó.
- L'ARNt porta els aminoàcids, un de diferent per a cada anticodó.
- L'ARNt col·loca el seu aa als codons del ARNm per complementarietat de bases amb el seu anticodó.
- Els aa es van enllaçant a mesura que el ribosoma avança.
- El ribosoma troba un codó de STOP i es desfà. La proteïna està formada.

Fases de la traducció

1. Activació: l'aa 'sha d'unir al seu ARNt i es fa amb despesa d'energia

aa + ARNt + ATP——— Enzim aminoacil ARNt sintetasa———► aa- ARNt (aminoacil ARNt) + AMP

2. Traducció

2.1 Iniciació
- L'ARNm conté una regió líder (5' UTR) que conté uns 10 nucleòtids complementaris amb l'ARNr i al qual s'hi uneix la subunitat petita del ribosoma (no es tradueix)
- La subunitat petita es mou pel ARNm fins que troba el codó d'iniciació (5'... AUG...3')
- S'uneix el primer aminoacilARNt complemetari (anticodó 3'... UAC...5') que correspon a eucariotes a l'aa metionina i en procariotes a formilmetionina.
- S'uneix la subunitat major i es forma el complex ribosomal actiu. Gràcies a determinats factors d'iniciació i energia- GTP.

2.2 Elongació
- Al centre A arriba el següent aminoacil ARNt
- L'enzim peptidil transferasa uneix els dos aa mitjançant un enllaç peptídic (radical carboxil metionina + radical amino del 2n aa)
- El centre P es queda amb un ARNt sense aa.
- Es produeix la translocació del ribosoma i aquest ARNt passa a ocupar el centre E i surt.
- El dipeptidil passa a ocupar el centre P.
- El centre A queda lliure en espera d'un nou aminoacul ARNt.
Tot el procés es produeix gràcies a determinats factors d'elongació i energia - GTP.

2.3 Terminació
- Quan el ribosoma troba un codó d'STOP (UAA, UAG i UGA) que no les correspon cap aminoacil ARNt s'atura.
- Intervenen els factors proteics d'alliberament (FR)  instal·lant se en el centre A (no necessiten energia).
- L'enzim peptidil transferasa provoca  ainteracció del grup carboxil de darrer amioàcid amb l'aigua i s'allibera la cadena polipeptídica.
- L'ARNm i les dues subunitat ribosòmiques es separen.

3. Associació
- A mesura que la cadena polipetídica es sintetitza adopta una determinada estructura secundària i terciària (forma enllaços pH i disulfur).

- Hi ha proteïnes que en acaba la síntesi ja són actives.
- Hi ha proteïnes que necessiten eliminar alguns aa (metionina inicial).

- Hi ha proteïnes que s'associen a ion s o a coenzims.
- Hi ha proteïnes que s'ajunten amb altres cadenes polipeptídiques.

- Hi ha proteïnes que dins el RER i l'Aparell de golgi són modificades.

 

1.  2. 
3. 4.  5.

3.3. Codi genètic

L'ADN havia d'especificar, d'alguna manera, la seqüència d'aminoàcids de les proteïnes.
Necessàriament havia d'haver algun codi que traduís el missatge de l'ADN en forma de seqüència d'aminoàcids a la proteïna.
Nirenberg al 1961.
A començament dels anys 50 es va veure que la insulina estava formada per una cadena lineal d'aminoàcids que tenien un ordre definit. Si la insulina tenia una seqüència definida, genèticament determinada, el més probable és que la resta de proteïnes també tinguessin una seqüència fixa, diferent per a cada proteïna.
Al 1961 per Nirenberg. Van posar ARN poliuracil (una cadena d'uracils, UUUUUUU...) a 20 tubs d'assaig. A cada tub d'assaig hi van afegir extracte citoplasmàtic d'Escherichia coli i un aminoàcid marcat radioactivament, diferent a cada un dels tubs. Van deixar un temps perquè hi tingués lloc la reacció i tot seguit van separar els ribosomes de cada tub, a veure què havia passat. Va resultar que els ribosomes del tub que contenia Phe (fenilalanina) estaven marcats radioactivament, és a dir, tenien Phe unida. Per tant, el conjunt de tres nucleòtids UUU codificava l'aminoàcid Phe.
Característiques del codi Genètic:
- La informació es llegeix en grups de tres nucleòtids, anomenats triplets. El codi havia de tenir tres lletres com a mínim (si fos de dues lletres -o nucleòtids- només hi hauria 4^2=16 possibles combinacions, insuficients per a codificar els 20 aminoàcids que formen les proteïnes; amb tres nucleòtids hi ha 4^3=64 combinacions). - Com que hi ha 64 triplets i 20 aminoàcids és possible que hi hagi aminoàcids codificats per més d'un triplet. Per això diem que el codi és degenerat.
- El codi és seqüencial i no encavalcat: els nucleòtids es llegeixen un rere l'altre en grups de tres i cada triplet segueix l'anterior sense encavalcar-se amb ell.
- El codi té triplets sense sentit que no codifiquen aminoàcids sinó senyals d'aturada.
- El codi no és ambigu: un triplet codifica un sol aminoàcid i mai més d'un (tot i que un aminoàcid pugui ésser codificat per més d'un triplet).
- El codi és universal, vàlid per a tots els éssers vius. Posteriorment es va trobar alguna excepció en el cas de l'ADN mitocondrial, on el triplet UAG codifica Trp (triptofà) en comptes de ser un triplet d'aturada o AUA codifica Met (metionina) en comptes d'Ile (isoleucina).

3.4 Sistemes de regulació de l'expressió gènica.

Les cèl·lules no sintetitzen de forma contínua tots els tipus de proteïnes sobre les quals tenen informció, sinó que hi ha un sistema de regulació.
La quantitat d'ARNm regula eel metabolisme cel·lular.
La síntesi d'ARNm depèn el procariotes del substrat disponible. En eucariotes depèn de les concentracions hormonals del medi.

L'operó Lac (Monod 1947)

Si es cultica E. coli en un medi amb lactosa al qual s'afegeix glucosa, el nivel de b- galactosidasa disminueix sensiblement.
(Lactosa ———b- galactosidasa ———►Glucosa + galactosa). No es necessita l'enzim si hi ha glucos en el medi.
Amb posterioritat ,Jacob i Monod, van  descobrir que la presència de glucosa reprimeix tot el conjunt d'enzims que intervenen en la ruta metabòlica.
Van porposar un model, denominat operó, per explicar el control de la biosíntesis proteica.
Operó és un fragment d'ADN amb dos tipus de gens:
- Gens estructurals que codifiquen proteïnes estructurals i enzimàtiques
- Gens reguladors codifiquen peer proteÏnes repressores que controlen els gens estructuralss.

---

Per saber més i entendre millor

1.4 Un gen - una proteïna
Van expossar a l'acció dels raigs UV algunes espores sexuals que provenen de cert tipus d'aparellament de Neurospora. Després van deixar germinar l'espores en un medi complet, és  dir, enriquit amb les vitamines i aminoàcid. Una vegada desenvolupat el miceli, es van fer creuaments amb altres tipus d'aparellement. Una vegada que van crèixer, es van col·locar porcions de miceli de cada cultiu en un medi mínim. De vegades el creixement continuava, a vegades es suspenia; quan això passava aquella raça particular rebia vitamines, aminoàcids, entre altres. Fins aconseguir el creixement. Finalment es pot establir que cada raça deficient era capaç de crèixer en un medi mínim, al qual 'havia afegit una substància accesoria, per exemple la Timina.
Beadle i Tatum van suposar que la radiació UV havia produït una mutació del gen que possibilita la síntesis de la tiamina, i havia transformat en un al·lel que no era capaç de fer-ho.
La síntesi de tiamina a partir de les susbtàncies simples presents en el medi mínim no ocorre mitjançant una sola reacció química, sino amb una sèrie completa de reaccions. Com totes les reaccions químiques en el éssers vius, cada una requereix la presència d'un enzim específic mitjançant l'addicció de compostos intermedis (precursors) al medi en el qual creixia el moho. Aquest experiment va permetre localitzar exactament quina fase en la síntesi de la tiamina està bloquejada en la raça mutant.
Amb aquesta base, van crear la teoria d'un gen - un enzim referent a l'acció del gen, que pot formular-se en els següents termes: cada gen en un determinat organisme regula la producció d'un enzim específic.

3.3 Codi genètic

400 científics d'arreu del món desxifren parts fins ara desconegudes del genoma humà

 

---

Mutacions

Les mutacions són alteracions del material hereditari.
Aquestes alteracions o mutacions provoquen un canvi en l´estructura o en la composició del material gènic.
Aquestes alteracions són accidentals i a l´atzar.
Normalment les mutacions suposen deficiències i poden arribar a ser letals (per la cèl·lula). Però en general són recessives i queden amagades sense causar cap efecte dolent en l´individu, i suposa un aspecte positiu per l´espècie ja que aporta variabilitat. Així un canvi en l´ambient, advers pels individus normals o sense una mutació específica, pot fer que l´individu mutant sobrevisqui a l´ambient.

Exemples:
- Una mutació deficient en un gen específic que controla la replicació (p53) farà que la cel es divideixi sense aturar-se i si no hi ha cap remei (procés de reparació efectiu o de mort cel) pot aparèixer càncer.
- Una mutació recessiva: hemocromatosi hereditària. Malaltia per una mutació puntual en la prot HFE (prot de 343 aa, cr 6: G -> A: Cys -> Tyr ).
Provoca un transtorn del metabolisme del ferro: hi ha una absorció excessiva de Fe que es deposita en diferents òrgans com el fetge i provoca: càncer, cirrosis, esterilitat, pigmentació excessiva de la pell...
La malaltia és asintomàtica en els primers anys de vida ja que les necessitats de Fe són altes i els símptomes començen aparèixer als 45 anys. Es sap que aquesta mutació és originària del nord d´Europa perquè és on es dóna en major freqüencia, i es va distribuir amb les migracions celtes. A Mallorca 1/200 la pateix.
Es creu que aquesta freqüencia tan alta és per què en generacions anteriors a les nostres era freqüent la deficiència de Fe en la dirta per tant ser heterocigot (tenir aquesta mutació) era beneficiós.
Hem dit que les mutacions solen ser recessives i que queden amagades ja que queden amb heterocigosi i com tenim una altra còpia de ADN que està intacta no hi ha cap deficiència visible. Aquestes mutacions es van heredant i passen de generació a generació. Per tant els membres d’una mateixa família tenen mutacions en els mateixos gens. Aquesta és la raó de perquè no es recomanable que els parents tenguin fills, ja que una mutació que en els dos indivudus està en heterocigosis en la seva descedència pot passar a ser homocigot en aquella mutació i provocar una determinada malaltia. 

Tipus de mutacions:

Segons el seu origen:

- Espontànies: degudes a la mateixa naturalesa química del ADN
- Induïdes o provocades pels agents mutàgens

Segons les cèl·lules afectades:

Les mutacions tenen conseqüències diferents segons el tipus de mutació, el gen que afecten i si són mutacions somàtiques o germinals.

Segons l'ADN afectat:

- Mutació puntual o génica
1.Per un error en els mecanismes moleculars de replicació. (La replicació té sistemes de correcció d´aquests errors)

2. Per un error en els sistemes de correcció.
- Mutació cromosòmica: per un error en l´estructura del cromosoma.

- Mutació genòmica: per un error en la repartició dels cromosomes durant la divisió cel·lular.

Agents mutàgens

Un mutàgen seria qualsevol substància o radiació que interacciona o reacciona amb el ADN i el pot fer canviar.
Hi ha mutàgens:
- químics: molècules que modifiquen les bases nitrogenades
- químics: molècules que són anàlogues a les bases nitrogenades i les substitueixen
- químics: molècules de intercalació
- físics: radiacions no ionitzants
- físics: radiacions ionitzants

• Químics

1- Molècules que modifiquen les bases nitrogenades
- Àcid nitròs: la A (adenina) es transforma en hipoxantina que s´aparea amb la C (citosina), això pot provocar un canvi en la pauta de lectura. 
Les nitrosaminas són substàncies que les trobam en el fum del tabac o en els aliments cremats.
També els nitrits, que trobam en embutits o aigües contaminades per adobs, poden donar lloc, una vegada metabolitzats, a nitrosamines.
Les nitrosamines provoquen metilacions (-CH3) en les bases nitrogenades. Si es metila el ARN no es molt greu ja que tan sols s’altera l’expressió d’una proteína. Però si es metila el ADN que és la font mare d´informació pot provocar problemes més greus.
Normalment la BN més susceptible de ser metilada és la G que en la pauta de lectura és substituida per una T. La hipermetilació provoca la no expresió d´un gen.

- Agents alquilants: com el gas mostasa, utilitzat en la guerra del Vietnam. Afageix grups acil i provoca conseqüencies semblants a les nitrosamines.

I altres com el benzopiré ( que el trobam en el fum del tabac o en els aliments cremats), flavonids ( presents en el cafè, te, cacau, cervesa), derivats piròlics – derivats del tritòfen (el trobam en olis sotmesos a fritures succesives o en aliments sotmesos a temperatures superiors a 200ºC) excés de glucosa ( provoca la glucosilació de les BN del ADN que dificulta la lectura).

2- Molècules que són semblants a les bases nitrogenades i les substitueixen.
El 5-bromouracil pot substituir a una Timina.
El 2-aminopurina pot substituir a una Adenina.
Les modificacions implica aparellaments amb bases diferentes a les complementaries.

 

3- Molècules d'intercalació.
Molècules similars a un parell de bases nitrogenades enllaçades, com la acridina o proflavina, que s´introdueixen entre els parells de BN.
Quan es produeix la duplicació o replicació, poden aparèixer insercions o delecions d’un parell de bases nitrogenades i així la pauta de lectura es canvia.

• Físics

1. Radiacions no ionitzants
Són radiacions electromagnétiques, com la llum, però de menor longitud d´ona (entre 160 – 400 nm: UV) i per tant més energétiques.
Aquestes radiacions són absorbides pel ADN i provoca el bot d’alguns electrons a nivells energètics superiors, afavorint la formació d’enllaços covalents, entre dues pirimidines: dímer de timina. Un dímer de timina és una lesió greu del ADN i quan la ADN polimerasa se la troba s’atura.
La enfermetat Xemoderma picmentosum es produeix en nins on la quantitat de dímers de Timina és molt gran degut a que no tenen mecanismes de reparació del ADN. Són nins que han de quedar amagats a l’exposició solar ja que se les formen pigues que produeixen càncer.

2. Radiacions ionitzants
Són radiacions electromagnétiques de longitud d’ona inferiors als UV i molt més energètiques. Són per exemple: raigs X, raigs gamma i les emisions de partícules radioactives: radiacions alfa i beta.
Provoquen la pèrdua d’electrons en alguns àtoms del ADN que queden en forma d’ions molt reactius.

   

Mutacions puntuals o gèniques

1. Mutacions per substitució d´una base: canvis d´una base per una altra. Les substitucions provoquen l´alteració d´únic triplet , per tant si la mutació no dóna lloc a un triplet de STOP o no afecta a un aminoàcid del centre actiu del enzim, aquestes mutacions solen ser poc importants.
- Transicions: substitució d’una purina per una altra purina (A-G). O de una pirimidina per una la pirimidina (T-C).
- Transversions: subtitució d´una purina per una pirimidina o al inrevés.

2. Mutacions per pèrdua o inserció de nucleòtids:
- Delecció o pèrdua d’un PB
- Inserció - addició d’un PB.
Aquestes corresponen al 80% de mutacions espontànees. La addició o delecció d’un PB produeix un desplaçament de la pauta de lectura, la qual cosa sol provocar canvis dràstics en la proteïna que s’ha de codificar.

Causes de les mutacions gèniques:

- Errors de lectura

- Canvis tautomèrics: les bases nitogenades estan en equilibri entre la forma normal i la seva forma tautomèrica. Si una base, durant la replicació, passa a la seva forma tautomèrica, es genera un canvi en la base compelmetària.
- Canvi de fase: lliscaments de  la fila que s'està formant sobre la que serveix de motlle, és dóna sovint en punts calents llocs en què es repeteix un nucleòtid.

- Lesions fostuïtes

- Despurinització: pèrdua de bases púriques per ruptura de l'enllaç entre aquestes i les desoxiriboses
- Desaminació: pèrdua de grups amino en les bases nitrogenades
- Dimerització de la timina: enllaç covalent entre dues timines contugües provocades per rajos UV

- Transposicions

- Canvis de posició de segments d'ADN (elements genètics transponibles o transposons), canvien de manera espontània provocant una delecció en un lloc i una inserció en una altre.

Reparació de les mutacions gèniques
- Sistema de correcció de proves: la pròpia ADN polimerasa té activitat exonucleasa i abans d'afegir un nou nucleòtid comprova si el que ha afegit anteriorment és el correcte. Si no ho és, el retira i el substitueix pel que correspon.
- Reparació per escissió: endonucleasa que detecta un error i produeix dos talls a cada costat de l'error, una exonucleasa: elimna el fragment tallat i despés l'ADN polimerasa I sintetitza el fragment i l'ADN lligasa uneix els extrems.
- Reparació sense escissió: enzims que elimines els dímers de timina (enzims fotoreactius).
- Sistema SOS: si es prdueeix una lesió a l'ADN que impedeix a l'ADN pol seguir amb el procés de replicació es posa en funcionament un conjunt d'enzims correctors del sistema SOS, que eliminen el bloqueig. El sistema SOS introdueix un nucleòtid a l'atzar que, probablement no serà el que correspondria, però la replicació pot continuar.

Mutacions cromosòmiques 

Són canvis en l’estructura interna del cromosomes.
Més que nous canvis del material genètic, impliquen reordenació del material ja existent. 
- Delecció: és la pèrdua d’un fragment del cromosoma. Si el fragment conté molts gen, la delecció pot tenir conseqüències greus. 
Pe: delecció en el cromosoma 5 provoca el síndrome de cri du chat. Aquests nins afectats: fan uns renous semblants en es miulo d’un moix quan ploren, microcefalia, retràs mental i no arriben a adults.

- Duplicació: repetició d’un fragment de cromosoma. La rèplica pot col-locar-se en el mateix cromosoma o en un altre o fins i tot forma un cromosoma nou. Posiblement la duplicació fa menys mal que la delecció.
- Inversió: és el canvi de sentit d’un fragment en el cromosoma. Pot ser paracèntrica si no inclu el centròmer o pericèntrica si inclou el centròmer.
- Translocació: és el canvi de posició d’un segment de cromosoma. Quan els fragments de cromosoma no són homòlegs la translocació és recíproca.
Si la translocació es realitza entre fragments diferents s’anomena transposició. El síndrome de Down es pot produir degut a la translocació del cr 21 al 14.

 

Mutacions genòmiques

És una alteració en el nombre de cromosomes, que és propi de l’espècie.
Causa: segregació anormal del cromosomes durant la divisió meiòtica.

Euploidia:
És una alteració en el nombre normal de dotacions haploides (n) (múltiple de n). De fet la poliploidia és l’existència de més de dues dotacions cromosòmiques: triploidíes 3n, tetraploidíes 4n ...
Sol ser poc freqüent en animals però més freqüent en plantes, donant lloc a fulles o fruits més grossos, la qual cosa és beneficiós per augmentar la producció.
La causa sol ser un error en la divisió de maduració de l'òvul o l'esperma.

Aneuplodia:
És l’alteració en el nombre normal de cada un dels tipus de cromosomes – normalment dues còpies de cada cromosoma -. Poden ser:
Nulosomies: no hi ha cap dels dos cromosomes 2n-2
Monosomies: només hi ha un cr del parell normal 2n-1
Trisomies, tetrasomies: 3, 4 còpies d'un mateix cr 2n+1, 2n+2

- Síndrome de Down: Trisomia del crosoma 21 (tenen 47 cr: 2n+1). Aquest és el més comú i més conegut desordre cromosòmic. Més o manco 1 de 800 nins neixen amb el síndrome i la freqüencia augmenta en mares amb més de 35 anys. El síndrome fou descrit clínicament per Langdon Down en 1866, però el seu origen fou desconegut durant quasi un segle. Des del punt de vista poblacional es van donar comte de què la freqüència augmentava en elevar la edat materna i la gran concordància entre bessons univitelins. No fou fins al 1959 que es va descobrir que tenien 47 cr. Tenen plec en els ulls, llengua gorga, coll curt, front pla, cara plana i ampla, trets facials orientals d’aquí el terme “mongolisme” que és totalment inapropiat. Baix desenvolupament intelectual, però no nul. La seva vida és curta, envelleixen ràpidament, amb arritmies cardíaques i pateixen la síndrome d’Alzeimer.

  

- Síndrome d’Edwards: Trisomia del cr 18 (2n+1). La incidència és de 1 cada 8000 nins. En general el 95% de concepcions de trisomia del cr 18 són abortamnets espontanis. Són persones amb retràs mental i en el desenvolupament. Hipertensió. Orelles deformades, coll curt i ulls petits.

 

- Síndrome de Turner: només té un cromosoma X (monosomia: 44+X). La incidencia és 1 cada 5000 nines. Presenten una estatura baixa, disgènesis gonadal, infantilisme gonadal, elevades anomalies renals i cardiovasculars. Els tractaments hormonals poden corregir algunes d´aquestes característiques, encara que l’estarilitat sol ser irreversible.

  

- Síndrome de Klinelfelter (47 cr, XXY):són al-lots aparentment normals fins a la pubertat, llavors apareixen signes d’hipogonadisme: testicles petits i característiques sexuals secundàries poc desenvolupades. La gran dosis de X fa que tenguin pit. No hi ha espermatogènesis. Freqüentment hi ha retràs mental.
 

- Trisomia del cr X: (47 cr, XXX): són la contrapartida del síndrome de Klinelfelter en la dona. Són dones amb mames poc desenvolupades i genitals externs infantils. Molts de casos queden sense diagnosticar.
 

- Síndrome de la insensibilitat al andrògen completa: conegut com feminització testicular. Les persones són cromosòmicament mascles 46XY, però amb una aparent genitalia femenina normal, amb una vagina cega i sense úter. Poseeixen testicles que poden estar en el abdomen. La incidència és de 1 cada 20000nins.

  Mutaciones

Prevenció i diagnòstic de malalties genètiques

• Diagnòstic prenatal

• Prevenció primària
  

- En primer lloc es tracta de tenir controlat els mutàgens.
- Estudi de poblacions i de famílies: es tracta de conèixer els portadors i incidència. Si es coneixen els portadors es pòden fer estudis posteriors per evitar fills en deficiències.
- Consell genètic: proporcionar informació sobre el risc d'un individu o els seus descendents siguin afectats per una malaltia genètica. Es fa mitjançant l'elaboració d'una història clínica i d'un arbre  genealògic.

• Prevenció secundària

- Diagnòstic prenatal
Si no hi ha casos anteriors en la família es realitza un estudi prenatal a totes les dones embarassades.

- Analítiques:
1r trimestre
- Analítica de sang i orina:bioquímica, hemograma, rubeola, sífislis, toxoplasmosis, hepatitis B i C, VIH.
- Determinació del grup sanguini i del grup RH (test de Coombs).
- Triple screening: marcadors bioquímics (PAPP-A, Beta-HCG i fracció lliure)

2n trimestre
- Analítica bàsica de sang i orina: bioquímica i hemograma.
- Test de Coombs si la mare és Rh-.
- Hepatitis, Toxoplasma.
- Test O'Sullivan: risc de tenir diabetes gestacional.

3r trimestre- Analítica bàsica de sang i: bioquímica i hemograma
- Test de coagulació.
- Streptococco: si la mare es portadora un 50% de nounats neixen colonitzats i un 2% pot desenvolupar una infecció greu.

- Ecografies
1r Trimestre: (setmana 12) detectar alteracions estructurals congènites. (Traslucència nucal)
2n trimestre: (setmana 20) Morfològica que pot detectar malformacions en òrgans i estructures.
3r trimestre: (setmna 32-35) per conèixer l'estat de la placenta, la posició fetal o la quantitat de líquid amniòtic

En cas de haver-hi algun problema altres proves diagnòstiques:
- Amniocentesis: són anàlisis opcionals dutes a terme en la dona embarassada que ajuden a detectar trastorns genètics del fetus abans del naixement. Consisteix a extreure una mostra de líquid amniòtic de l'úter mitjançant una agulla que travessa l'úter. L'amniocentesi es realitza a partir de la 15a setmana aproximadament.

- Biopsia corial: La biòpsia o mostreig de les vellositats coriòniques (MVC en anglès), igual que l'amniocentesi, és una anàlisi opcional duta a terme en la dona embarassada que ajuden a detectar trastorns genètics del fetus abans del naixement. El MVC consisteix a extreure una mostra de placenta a través de la vagina emprant un catèter o agulla, que després serà analitzada al laboratori. Es realitza habitualment entre les setmanes 10 i 12 de l'embaràs.

- Cordocentesi: s’obtenen mostres de sang fetal, però la tècnica és didícil i té risc. El risc a malaltia ha de ser superior al perill que té el fetus amb aquesta prova. 

• Diagnòstic postnatal
  

- Prova del taló: s'extreu sang del nounat per detectar possibles trastors metabòlics relacionats amb la deficiència o manca d'un enzim

- Fenilcetonúria: és una malaltia metabòlica congènita. Consisteix en l'acumulació de fenilalanina, la qual cosa provoca en la majoria dels casos retard mental. El tractament consisteix en realitzar una dieta restrictiva (llets especials i vegetariana) que, instaurada precoçment i ben controlada, aconsegueix que el bebè tengui un desenvolupament normal. Afecta a 1 de cada 10.000 bebès.
- Hipotiroïdisme congènit: també és una malaltia metabòlica congènita. Consisteix en la manca de producció d'hormona tiroide en els primers mesos de vida. Provoca retard mental irrecuperable, però si s'inicia el tractament en els primers dies, el desenvolupament cerebral serà completament normal. Afecta a 1 de cada 3.000 bebès.
- Fibrosi quística:és una malaltia genètica les alteracions més freqüents de la qual són malaltia pulmonar crònica i insuficiència pancreàtica. La detecció de mutacions permet establir un diagnòstic precís. El tractament permet una millor qualitat de vida. Afecta a 1 de cada 2.500 bebès. 

 

---

Biotecnologia i enginyeria genètica

Biotecnologia

Utilització de sistemes biològics, éssers vius o derivats en la creació o modificació de productes o processos d'interès per a les persones.
La biotecnologia fa molt temps que s'utilitza:
- Agricultura i ramederia: millora animal i vegetal, per obtenir organismes més resisteentsa plagues i malalties, més productives. Per selecció artificial.
- Indústria alimentària: microorganismes per a la fabricació del vi, el pa, el iogurt, el formatge,...
- Medicina: per produir antibiòtics o vacunes.

Enginyeria genètica

Conjunt de tècniques de manipulació de gens al laboratori fetes amb un propòsit concret que sigui de profit per a les persones.

• Tècniques d'enginyeria genètica:

- Enzims de restricció: proteïnes - endonucleases capaces de tallar l'ADN en punts específics.
Són d'origen bacterià i els serveixeen com a sistemes de defensa davant ADN víric.
Els ER tallen sempre en un mateix punt d'una seqüència de nucleòtids (lloc de restricció).
Els llocs de restricció solen ser seqüències palíndromes, seqüècies capicua.
El tall pot ser perpendicular o deixar extrems cohesius (extrems monocatenaris)

- ADN lligases: proteïnes que permeten unir fragments d'ADN de diferents.

- Vectors de transferència o de clonatge: agents biològics que s'utilitzen per a introduir material genètic en una cèl·lula.

- Per a procariotes:

- Plasmidis: ADN circular bacterià de doble cadena autoreplicant. S'usen plamsidis que contenen gens que confereixen resistència a  antibiòtics per poder seleccionar-los en un cultiu.
- Virus bacteriòfags o fags: virus que infecten bacteris. S'elimina part de l'ADN víric i es substitueix per ADN d'interés. Quna el virus infecta i es multiplica en el bacteri també multiplica la seqüència inserida. Fag lambda que infecta a E. coli.
- Cosmidis: vectors sintètics que combinen característiques dels plasmidis i dels fags. La part de plasmidi proporciona un origen de replicació, llocs de restricció i un gen de resistència a antibiòtic. La part de fag permet introduir-se dins el fag infectar bacteris i gràcies als seu extrems cos recircular-se.

  
 

- Per a eucariotes

- Microinjecció: introduir ADN directament en les cèl·lules amb una agulla que penetra la membrana cel·lular o nuclear.
- Electroporació: s'augmenta la conductivitat elèctrica i la permeabilitat de la membrana per mitjà d'un camp elèctric. Es facilita l'entrada d'ADN estrany en cèl·lules vegetals i animals, bacteris i rents.
En bacteris, rents i vegetals qu tenen paret primer s'ha d'eliminar mitjançant enzims i s'obtenen protoplasts.
En cel animals la tècnica s'anomena transfecció.
- Plamidis de rents - fongs unicel que tenen plasmidis: són molt fàcils de cultivar i com són eucariotes fan els processos de premaduració i glicosilació de les proteïnes.
S'han generat plasmidis mixtos de bacteris i rents i s'han generat cromosomes artificials de rent (YAC yeast artificial cro)
- Plamidis de bacteri Agrobacterium tumefaciens. Aquest bacteri té el plasmidi Ti que entre en les cèl·lules vegetals i provoca tumors. Si s'elimina aquesta capacitat tumoral serveix per a introduir gens en plantes.
- Microbales de metall recobertes d'ADN.

Enzims de restricció

Tècniques d'enginyeria genètica

Reacció en cadena de la polimerasa (PCR)

Tècnica de la PCR

Kary Mullis (1986)
Entrevista

Aplicacions de la Enginyeria genètica

1. Producció de proteïnes terapèutiques

Insulina

Hormona del creixement: 191 aa, per tractar el nanisme.
Interferó: tractament infeccions víriques i càncer.
Factor VII de la coagulació: absència d'aquest factor en la coagulació de la sang.

2. Producció d'enzims
Enzims de la indústria alimentària o en la producció de detergents.

3. Producció de vacunes
Antígens específics i purs.

4. Producció d'anticossos monoclonals.
Un limfòcit B que ha estat en contacte amb un antígen es fusiona amb una cèl·lula cancerosa.
Aquestes cèl·lules híbrides produeixen Anticossos monoclonals.
S'utilitzen per:
- Investigació ja que poden ser fluorescents
- Diagnòstic de malalties (Sida)
- Tractament de malalties: càncer. Produir AntiC monoclonals contra marcadors que només es troben en aquetes cel tumorals i unir-los a subtàncies radioactives o citotòxiques.
Abans enren AntiC de ratolí però eren rebutjats pel propi cos. Ara per enginyeria genètica són AntiC humanitzats: la part que reconeix l'Antg és de ratolí però la resta és humà.

5. Teràpia gènica
Introduir gens correctes en éssers humans a fi de corregir alguna malaltia d'origen genètic.
- Teràpia en cèl·lules germinals. Es modifiquen els gàmetes, els seus precursors o un zigot.
Comporta riscos d'accions èticament i socialment indesitjables.

- Teràpia en cèl·lules somàtiques
Introducció de gens en cèl·lules somàtiques. No passa a la descendència.
S'utilitzen retrovirus que integren el seu ADN en els cromosomes de les cèl·lules a l'atzar, la qual cosa pot provocar altres alteracions genètiques.
S'ha utilitzat en ADA (Deficiència de l'adenosina desaminasa - nins bambolla), fibrosi quística,...

6. Agricultura

Organismes trangènics o genèticament modificats (OGM): organismes eucariotes desenvolupats a partir d'una cèl·lula en què s'han introduït gens estranys.
S'uitilitza el plasmidi Ti d'Agrobacterium tumefaciens, microinjecció o microbales.
Exemples:
- Plantes resistents a herbicides: major producció, pèrdua de biodiversitat.
- Plantes resistents a insecticides: major producció, menys plaguicides, pèrdua de biodiversitat.
- Millorar la resistència a canvis ambientals: sequeres o gelades.
- Modificar característiques de les plantes: retardar la maduració de la fruita.
- Millorar les característiques nutritives del producte: introduir vitamines i aa a plantes.

7. Ramaderia
No s'ha aprovat cap animal transgènic.
Varietats transgèniques:
- Carpes que creixen ràpidament.
El gen per a l'hormona de creixement s'hi ha afegit un gen promotor sensible als metalls pesats.

- Salmons que resisteixen millor les baixes temperatures.
Un gen  que produeix una proteïna que s'uneix als cristalls de gel que es formen en la sang

Clonació

Clonant un gen

 

---

Bloc 4: EL MÓN DELS MICROORGANISMES I LES SEVES APLICACIONS. BIOTECNOLOGIA

Continguts

Microbiologia. Concepte de microorganisme. Microorganismes amb organització cel·lular i sense organització cel·lular. Bacteris. Virus. Altres formes acel·lulars: partícules infectives subvirals. Fongs microscòpics. Protozous. Algues microscòpiques.
Mètodes d’estudi dels microorganismes. Esterilització i pasteurització.
Els microorganismes en els cicles geoquímics.
Els microorganismes com a agents productors de malalties.
La biotecnologia. Utilització dels microorganismes en els processos industrials: productes elaborats per biotecnologia.

Criteris d’avaluació / Estàndards d’aprenentatge avaluables

1. Distingir els tipus de microorganismes segons l’organització cel·lular que presenten.
   1.1. Classifica els microorganismes en els grups taxonòmics als quals pertanyen.
2. Descriure les característiques estructurals i funcionals dels diferents grups de microorganismes.
   2.1. Analitza l’estructura i la composició dels diferents microorganismes i les relaciona amb la funció que fan.
3. Identificar els mètodes d’aïllament, cultiu i esterilització dels microorganismes.
   3.1. Descriu tècniques instrumentals que permeten aïllar els microorganismes, cultivar-los i estudiar-los per a l’experimentació biològica.
4. Valorar la importància dels microorganismes en els cicles geoquímics.
   4.1. Reconeix i explica el paper fonamental dels microorganismes en els cicles geoquímics.
5. Reconèixer les malalties més freqüents transmeses pels microorganismes i utilitzar el vocabulari adequat relacionat amb aquestes malalties.
   5.1. Relaciona els microorganismes patògens més freqüents amb les malalties que originen.
6. Avaluar les aplicacions de la biotecnologia i la microbiologia en la indústria alimentària i farmacèutica i en la millora del medi ambient.
   6.1. Analitza la intervenció dels microorganismes en nombrosos processos naturals i industrials i les nombroses aplicacions que tenen.
   6.2. Reconeix i identifica els diferents tipus de microorganismes implicats en processos fermentatius d’interès industrial.
   6.3. Valora les aplicacions de la biotecnologia i l’enginyeria genètica en l’obtenció de productes farmacèutics,
   en medicina i en bioremediació per al manteniment i la millora del medi ambient.