A l’últim post comentava que m’havia apuntat a dos cursos més de la plataforma online Coursera, i parlava una mica d’un dells, el de la diabetis. Avui vull parlar del segon, doncs he començat a estudiar els continguts de la primera setmana i crec que és molt interessant. És un curs introductori a la genètica humana. Segur que ens va bé per a ajudar-nos a comprendre com funciona el cos i treure-li una mica de profit, no?
Al YouTube hi ha una “preview” del curs (en anglès) per a que us feu una idea del que podrieu trobar:
[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=WOg-zOZHwSY&w=640&h=390]
La idea d’avui és fer un resum dels sis vídeos del primer tema. De passada m’ajuda a estudiar pels “Quizzes” (preguntes que et fan per a avaluar el seguiment del curs).
Som-hi!
Què és la genètica?
La genètica és l’estudi de l’herència, és a dir, com els trets característics que ens conformen són passats d’una generació a la següent. Aquesta transmissió genètica té lloc gràcies a la reproducció sexual. La molècula que tots els éssers vivents utilitzen per passar la seva herència genètica, incloent-nos a nosaltres, els humans, és l’ADN (àcid desoxiribonucleic).
L’ADN és el llenguatge universal de la genètica i en tenim un munt a l’organisme: pràcticament cada cèl·lula del nostre cos disposa de dos metres de ADN dins seu! Com és possible això? L’ADN és molt finet -podriem pensar-hi com un fil de cosir- que a més està enrotllat sobre un tipus de especial de proteïnes anomenades histones, que vindrien a simular el rodet del fil de cosir.
Com es transmeten els gens?
Podríem pensar en l’ADN fent un símil amb un llibre de receptes de cuina: conté totes les diferents receptes que necessites alhora de cuinar. D’altra banda, si volem resguardar aquestes “receptes” per tal que puguem cuinar i alimentar-nos per sempre més i no quedar-nos sense idees, caldrà un mecanisme per fer-ho. L’ADN està resguardat dins del nucli de les nostres cèl·lules, que vindria a ser com la “caixa forta” que resguarda el nostre llibre de receptes.
De fet, l’ADN és tant vital que no utilitzem el “llibre de receptes” directament, només petites regions específiques de l’ADN són transcrites a ARN (àcid ribonucleic), que seria com una versió reduïda que sí pot abandonar el nucli de la cèl·lula per a expressar el nostre codi genètic en comptes d’utilitzar l’ADN real. Tornant al símil del llibre, seria com si en féssim una copia -com si preferíssim passar l’original per una fotocopiadora i endur-nos la copia per a ús general i resguardar l’original-.
L’ADN conté uns 22.500 gens (o “receptes”) a través dels quals encara podem fer unes 10 vegades més tipus de proteïnes noves al cos. Tornant al símil de les receptes, significa que tot i que podem fer directament unes 22.500 “receptes de cuina”, podríem combinar-les de manera que encara poguéssim realitzar moltes combinacions més. Com si féssim una lleugera modificació del nostre “menú” jugant amb les receptes!
Els cromosomes i estructura de l’ADN
Tenim dos conjunts de cromosomes: un heretat del nostre pare i l’altre de la mare. Degut a això, es diu que formem una diploïdia. Els cromosomes estan presents en parts “homòlogues” i en tenim 23 parells. En diem homòlogues ja que pràcticament no difereixen en mida, estructura i tipus d’informació que porten -però si que en canviaria el valor-.
Tornant al símil del llibre de cuina: vindria a ser com si en realitat disposéssim de dos llibres de cuina diferents: Un heretat del pare i l’altre de la mare.
Unint això amb el que s’ha explicat abans: el dogma de la biologia es basa en que l’ADN s’usa com a “plantilla” per a generar l’ARN, procés que rep el nom de transcripció, el que comentàvem abans de fer petites còpies del llibre per a distribuir-lo de manera “més segura”. Aquest ARN codifica una seqüència d’aminoàcids que es vinculen entre sí per a formar proteïnes. Algo així com la fórmula de les receptes que estaria format per un conjunt de paraules. Aquest procés s’anomena traducció. El que observem és que en diferents tipus de cèl·lules del cos tenim tipus diferents de ARN transcrits i, a la vegada, diferents tipus de proteïnes traduïdes.
Com és possible aquestes diferències si tenim el mateix ADN a cada cèl·lula del cos? Bé, en cada tipus de cèl·lules certes parts del ADN estan “activades” o “desactivades”, en un procés conegut amb el nom de diferenciació. El cos controla quins gens estan activats o desactivats i quant de ARN transcrivim com a part de l’expressió genètica.
Com sap el cos quin tipus d’aminoàcids utilitzar i l’ordre correcte en el que els ha de col·locar? L’ADN determina tot això. Aquesta cadena d’aminoàcids (AA) s’anomena estructura primària d’una proteïna. L’estructura secundària és com els diferents AA interactuen entre ells. I l’estructura terciària representa la forma 3D final de la proteïna. El que veurem és que la forma final d’aquestes proteïnes està directament vinculada a la seva funció.
Mutacions de l’ADN
Quan aquesta seqüència d’AA es veu alterada i hi ha una mutació, la proteïna resultant canvia i això pot donar lloc a una forma diferent de la proteïna, que per tant adquireix una funció diferent al cos. Un exemple d’això seria el caràcter de les cèl·lules falciformes, que resulta d’una mutació en el gen de la hemoglobina, que causa que un AA sigui canviat per un altre (glutamina per valina) que causa que la forma dels glòbuls vermells canvi de la típica arrodonida a una de tipus més allargada, que pot comportar problemes com anèmia, etc.
Quan es dona un canvi observable en un tret fisiològic com seria aquest canvi de forma en els glòbuls vermells parlem d’un canvi de fenotip. El fenotip és el conjunt específic de trets físics observables. El fenotip és determinat per interaccions úniques dels nostres gens amb l’entorn. De fet, els nostres gens i la interacció amb l’entorn és el que realment ens conforma.
Epigenètica i metilació
Relacionat amb el concepte anterior dels gens que interactuen amb l’entorn, l’epigenètica és una possible manera en la qual es controla l’expressió dels gens: s’altera l’expressió sense realment canviar la seqüència de l’ADN, i això afecta com els gens son transcrits. Hi ha diferents maneres a través de les quals es pot donar aquesta alteració. Una d’elles és l’anomenada metilació.
La metilació és un procés en el qual uns grups anomenats grups metils són afegits a la seqüència del ADN i afecten a com els gens es transcriuen. Els cromosomes que adquirim del pare no es metilen de la mateixa manera que els que obtenim de la mare. Això s’anomena empremta genètica. Significa que l’ADN que adquirim del pare no s’expressarà de la mateixa manera que el de la nostra mare. La metilació, doncs, afectarà l’estructura de l’ADN, i certs defectes en la metilació estan associats amb ADN que no s’expressa finalment per a fer ARN, és a dir, és inactiu o dit d’altre manera, “no es pot llegir”.
Imaginem altre cop que ens trobem davant del llibre de receptes. La metilació podria ser vista com taques que cauen sobre les receptes del llibre. Si les receptes estan molt tacades, ens podria costar desxifrar la recepta i, per tant, no la podríem acabar utilitzant.
El fet és que l’estil de vida pot afectar el procés de metilació, això inclouria coses com el fumar, l’estrès o passar fam. Per exemple, si durant la gestació o els primers anys de vida ens veiéssim desproveïts de certs nutrients, això podria afectar el nostre patró de metilació. Aquest canvi en l’expressió dels gens, a més, pot ser passat a la següent generació, als nostres fills. Aquests canvis finalment poden implicar un canvi en el fenotip, o sigui que al final condueixen a canvis observables a la nostra fisiologia. Igualment, pot passar que aquests canvis finalment no s’expressin, amb la qual cosa hi ha un canvi genètic però resulta no observable a simple vista.
Més detalls sobre l’estructura de l’ADN i mutacions: els codons
Abans explicàvem que els gens codifiquen proteïnes, i que la seqüència de l’ADN determina la seqüència dels AA. Quan s’usa el ADN per a fer una “còpia” d’ARN, es fa de manera lineal, i l’ARN es llegeix en seqüències de paraules formades per tres lletres, anomenades codons.
Les possibles “lletres” que formen els codons són nucleòtids, unitats estructurals bàsiques dels àcids nucleics: L’ADN es forma per quatre d’aquests nucleòtids, anomenats bases nitrogenades, designats amb les lletres A, C, G i T o U en el cas del ARN.
S’està posant dens el tema. Fem una pausa. Deixo un vídeo del YouTube en castellà que no forma part del curs de la universitat però que ens pot ajudar a comprendre tot això una mica millor 🙂
[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=BjEFRONjWIo&w=640&h=390]
Tornant al tema de les mutacions, la qüestió és que si per algun motiu té lloc un canvi en una d’aquestes lletres en la seqüència del ADN, això pot afectar el ARN i fer que la proteïna resultat sigui diferent. Depenent del canvi que hagi tingut lloc es poden donar diversos casos:
- Que la proteïna resultat no tingui cap ús, o sigui no sigui funcional.
- Que doni lloc a una proteïna parcialment funcional.
- Que la proteïna resultant tingui una funcionalitat totalment nova.
- Que no hi hagi cap canvi funcional en la proteïna resultat tot i la mutació.
Cal tenir en compte que aquestes mutacions són a l’atzar, és a dir, no sorgeixen perquè l’organisme les necessiti, ni per causar un dany a l’organisme, sinó que tenen lloc de manera espontània. La selecció natural juga un paper important pel que fa a quines mutacions persisteixen a la població i quines són propenses a desaparèixer.
Llavors, fent ús dels símils altre vegada, suposem que la seqüència de codons representa una frase amb un cert significat. L’exemple del curs està en anglès i faré servir el mateix, ja que és bastant clar i resulta difícil trobar un equivalent donat a que en català no és tant fàcil reunir tot paraules de tres lletres en una frase. Imaginem doncs, la frase:
“The red hat was big” (el barret vermell era gran).
Efectivament, cada paraula està formada per 3 lletres (un codó) i el gen estaria format per el conjunt de paraules, i tindria un significat.
Un canvi en un dels nucleòtids podria donar lloc als diferents tipus de mutacions:
- Inserció – S’afegeix un o diversos nucleòtids en un lloc d’una paraula, fent que la seqüència es desquadri. Això fa que el significat canvi totalment. Per exemple, si s’introdueix una ‘a’ entre la ‘e’ i la ‘d’ de la paraula ‘red’. La seqüència queda:
“The rea dha twa sbi …”
La qual cosa fa que la frase deixi de tenir significat.
- Eliminació – Similar al cas anterior, si desapareix una de les lletres, les paraules es desquadren i la frase, igualment, deixa de tenir significat.
- Substitució – En aquest cas, una lletra és canviada per una altra, causant que l’efecte final sigui totalment diferent. Suposem que es canvia la ‘e’ de ‘red’ per una ‘a’. La frase quedaria:
“The rad hat was big”.
En aquest cas ‘rad’ no té cap significat però encara podem deduir que la frase va sobre alguna cosa referent a un barret i que era gran. Depenent del canvi en el nucleòtid pot passar o no que la proteïna resultat tingui un significat totalment diferent, per exemple en el cas comentat abans sobre la forma dels glòbuls vermells.
Tècniques per estudiar les mutacions
Estudiar les mutacions genètiques en persones té certs problemes, en primer lloc perquè no podem controlar al 100% l’ambient al que està exposat el ser humà (se sobreentén que no perquè el ser humà és lliure i per tant viu en un medi no controlat) i perquè l’experimentació amb humans i els possibles problemes que podria causar, en general, comportarien problemes ètics.
Però, afortunadament hi ha altres organismes que podem usar per a tal finalitat, gràcies a que compartim bona part del codi genètic amb ells, per exemple ratolins, mosques o certs bacteris (nota: si experimentar amb aquests éssers si que és ètic o no també donaria per a un bon debat, se surt de la intenció del post).
Per exemple, les mosques presenten alguns comportaments sorprenentment similars als dels humans: beuen alcohol quan són rebutjades pel sexe contrari! També poden patir insomni igual que nosaltres, així que poden servir de model per a estudiar l’insomni. I a més, poden adoptar certs patrons agressius similars als nostres. Sembla lògic pensar doncs, que si s’és capaç de comprendre el perquè succeeixen aquests canvis en organismes que comparteixen similituds amb nosaltres a nivell genètic, es podrien aplicar posteriorment per a desenvolupar cures contra certes malalties, etc.
El curs parla també de que el 60% dels gens relacionats amb càncers estan presents en les mosques i menciona la proteïna p53, el gen “supressor dels tumors cancerigens”, sobre els quals es va fer alguna menció en el post de les especies (l’all és el teu aliat!). El tinc a la ment perquè en algun dels seus posts, el Dr Kruse parla sobre lo vital que resulta i per què protegir els nostres mitocondris hauria de ser la prioritat nº1 per a mantenir-nos allunyats de la majoria de malalties degeneratives.
Significança genètica de la reproducció sexual – els al·lels
Com dèiem abans, tenim 46 cromosomes o 23 parells de cromosomes homòlegs, i els nostres pares contribueixen cadascú amb la meitat del ADN, a través de la reproducció sexual. Però, alhora, no som idèntics als nostres germans (a menys que siguem bessons idèntics): això vol dir que la reproducció dona lloc a la variació, i aquesta variació pot ser més o menys exitosa, des d’un punt de vista de la selecció natural.
Què fa que tinguin lloc aquestes variacions? Quan mirem als cromosomes, per als diferents gens hi tenim, com a mínim, dos al·lels. Els al·lels són diferents versions del mateix gen. Per exemple, podem tenir un gen que determina el tipus sanguini heretat de la mare i que no sigui el mateix que el del nostre pare. Aquests gens estan localitzats en llocs molt específics a cada cromosoma, anomenats locus o loci. És important això de la localització ja que l’ADN està associat amb altres seqüències que controlen i regulen l’expressió genètica (tals com els promotors i amplificadors, que són regions de l’ADN que poden accelerar la seva transcripció).
Quan per a un gen concret en tenim dues còpies idèntiques diem que ens trobem davant d’un homozigòtic, mentre que si difereixen diem que es tracta d’un heterozigòtic per a aquest gen.
La qüestió és que aquestes variacions sorgeixen de les mutacions, i que com dèiem, poden ser beneficioses, perjudicials o simplement neutrals. Per exemple, si pensem en el color dels ulls, no hi ha una avantatja clara en tenir els ulls marrons, verds o blaus, per tant en aquest cas ens trobaríem davant d’un al·lel neutre.
Tornant al concepte de fenotip: realment el canvi observable és degut a que l’al·lel que el causa s’està expressant, és a dir, deixa veure fisiològicament la característica (dominància). En contraposició, el genotip és la configuració genètica, que pot ser o no expressada a nivell fisiològic. Per exemple, en el cas del color dels ulls, en el nostre genotip podem tenir els gens d’ulls blaus i marrons, però naturalment el resultat només pot ser un. En aquest cas, el gen dels ulls marrons s’expressa, i es coneix amb el nom de gen dominant, ja que emmascara al dels ulls blaus, que seria el gen recessiu.
Hi ha altres casos, com en la polidactília, en que pot haver diversos graus d’expressió dels gens. La polidactília és una mutació genètica que predisposar a tenir més dits del compte a la ma o als peus. Una persona que tingui aquesta mutació pot desenvolupar o no dits extra, però fins i tot en el cas que els desenvolupi, pot fer-ho total o parcialment, el que significa que podria mostrar un dit addicional sencer, o una petita part -no del tot desenvolupada-.
Quan volem referir-nos a si el gen s’expressa o no, parlem de penetrància, mentre que quan parlem de fins a quin nivell s’expressa el gen (total o parcialment) parlem d’expressivitat variable o nivell d’expressivitat.
Retornant al concepte d’epigenètica: l’entorn pot afectar -i afecta- a la manera en com s’expressen els gens. Per exemple, en el cas de la sang, si som de tipus A positiu, B negatiu o O negatiu ve donat pels gens, i l’entorn, en aquest cas, no afecta aquesta característica. Però pel que fa a quanta sang circula pel cos, el nombre de glòbuls vermells i quanta hemoglobina sintetitzem? això sí ve determinat per l’entorn. Aquest és un dels motius pels quals alguns atletes realitzen entrenament en alçada o el que es coneix com “viure alt i entrenar baix“: a mesura que ascendim respecte al nivell del mar, la concentració d’oxigen baixa, aquest fenomen comença a ser més evident cap al voltant dels 2.500m per sobre del nivell del mar.
El cos s’adapta desenvolupant més glòbuls vermells i hemoglobina (l’hematòcrit puja). Això es pot aprofitar per a obtenir un rendiment extra, tot i que no sembla molt clar encara que el benefici sigui tal, degut a que mantenir les adaptacions no és fàcil i normalment s’acaben perdent al voltant dels 10-15 dies següents. En qualsevol cas, aquest seria un exemple on l’entorn pot modificar l’expressió genètica.
Hormones i control de l’expressió genètica
Seguim vinculant la genètica a algunes àrees que ja han aparegut al blog anteriorment. Hem parlat de l’ADN i que està protegit dins el nucli de casi cada cèl·lula del cos. El cos té trillions de cèl·lules. Aquestes cèl·lules necessiten comunicar-se s’alguna manera. Com ho fan? A través de les hormones, que no són més que substàncies químiques que actuen com a missatgers.
Per què hormones? Havent-hi tantes cèl·lules al cos, resultaria impossible o impràctic establir connexions neuronals amb cadascuna d’elles. Per tant, el cos ha escollit una via evolutiva millor: el sistema endocrí segrega hormones lliurement, que són captades per les cèl·lules a través d’uns receptors que “tenen instal·lats”. Les hormones circulen per la sang, i cada cèl·lula que tingui receptors afins a aquella hormona podrà captar el senyal i actuar en resposta. (Nota friki: si ets enginyer del software, podries pensar-hi com el patró observador!).
Un tipus d’hormones segregades són les hormones esteroides, que se sintetitzen al cos a partir del seu precursor, el colesterol. Aquest és un dels diversos motius pels quals el colesterol, per sí mateix, no és l’enemic públic nº1, ben al contrari, és un element indispensable per a la vida. Sobre això ja s’ha parlat alguna vegada en anteriors posts. La qüestió és que quan les hormones esteroides són captades pels receptors de la cèl·lula, formen un complex que serà transportat al nucli de la cèl·lula, on, com ja hem vist, hi resideix l’ADN. Aquest complex pot potencialment activar l’expressió genètica a través dels promotors i amplificadors.
Per exemple, en el cas de l’home, la segregació de testosterona -la principal hormona esteroide masculina- fa que durant el desenvolupament del cos apareguin les característiques sexuals primàries pròpies de l’home, i durant la pubertat, els alts nivells circulants de dihidrotestosterona (DHT) que es converteix a partir de la testosterona, donen lloc a la configuració de les característiques secundàries (desenvolupament muscular, veu més greu, caràcter més agressiu, etc). En el cas de la dona, passa similar, però amb les hormones principals femenines -estrogen i progesterona- que permeten les característiques diferenciadores femenines: creixement dels pits, el rati cadera-cintura més pronunciat, etc.
Així doncs, quan les glàndules endocrines segreguen hormones, aquestes s’uneixen a les cèl·lules a través dels seus receptors, entren al nucli i produeixen una resposta hormonal, que incrementa l’expressió genètica ja que activa la transcripció i traducció dels gens. Cada tipus d’hormona esteroide afecta d’una manera diferent aquesta expressió. Per exemple, el cortisol (ja n’hem parlat abans, oi?) és una hormona que se segrega davant l’estrès.
Cal recordar que l’estrès poden ser moltes coses: normalment pensem en aspectes emocionals, com problemes de la feina o de la vida quotidiana en general, però moltes altres coses, com per exemple llevar-se de bon matí o l’exercici en si mateix són estressants pel cos! Una infecció, restricció calòrica, o al contrari, una excés prolongat de menjar -especialment de menjar dolent que activi una resposta pro-inflamatòria- també són tipus d’estrès.
En realitat, l’estrès hauria de ser puntual i urgent, com quan ens trobem davant d’una situació de vida o mort, però avui dia hem creat un entorn on rarament patim aquest tipus d’estrès però a canvi vivim sota un estrès prolongat -més subtil- però constant.
Els sistemes simpàtic i parasimpàtic regulen la secreció d’hormones i neurotransmissors en funció de l’entorn.
Sigui com sigui, davant l’estrès, el cos segrega cortisol, aquesta hormona catabòlica normalment és vista malament pels esportistes en general i és com el mal a evitar ja que causa degradació muscular, etc. però de fet, és un mal necessari: aquest catabolisme activa la oxidació de greixos, augmenta els nivells de glucosa en sang i activa la generació d’altres hormones com la adrenalina, que incrementen l’acció del sistema simpàtic, augmentat la pressió sanguínia, freqüència cardíaca, etc. de manera que ens predisposa a reaccionar davant del perill o situació estressant. D’altra manera, podriem restar impassius davant de tals situacions, i deixar-nos menjar per un lleó a la selva, per exemple.
El cos es savi i no permet això! (però en casos com la fatiga crònica, quan s’ha abusat d’aquest mecanisme, l’eix hipotàlem-pituitari-adrenal (HPA Axis) està tant cascat que aquesta resposta ja no funciona, per això la gent que cau en aquest estat li manca energia fins i tot per llevar-se del llit. En certa manera, podríem considerar el sobreentrenament com un possible estadi d’aquest procés, que depenent de com de lluny s’arribi pot revertir fàcilment amb una mica de descans o pot portar a haver de deixar d’entrenar per acabar totalment “cremat”).
L’adrenalina de la que parlem és un possible tipus de neurotransmissor. Els neurotransmissors són agents químics que se segreguen al sistema nerviós i es comuniquen a través de sinapsis. Els vídeos entren una mica més en detall sobre com funcionen els neurotransmissors però no vull liar gaire mes la troca ja que crec que dóna per a un altre post interessant sobre el sistema nerviós. Però el que si que crec que és interessant comentar és que parla sobre la dopamina i la serotonina, dos neurotransmissors que tenen rols vitals en el comportament humà. I en el cas de la serotonina, no només afecta el nostre estat d’ànim removent l’estrès, sinó que afecta els moviments intestinals. Volia comentar-ho perquè justament en aquesta perla va sortir esmentat quan es parlava de que cuidar la salut de l’intestí és clau. Veieu com tot lliga per algun costat?
Què té a veure això amb els gens? Doncs per exemple en el cas de la serotonina, aquesta és regulada per un enzim anomenat Monoamino oxidasa A, un tipus especial de proteïna, i certes persones tenen modificacions dels al·lels que sota certes experiències traumàtiques a la infància poden conduir a comportament violent. Un altre exemple de genètica i epigenètica en acció, que poden afectar no només la fisiologia humana, sinó també el comportament.
Per acabar
Hem vist una mica per sobre què és la genètica, que implica, i tot i que a priori podríem pensar que què té a veure això amb un blog sobre nutrició, realment té tot el sentit sobretot quan prenem consciència que l’expressió genètica ve altament influenciada per l’entorn, on què mengem, què fem (exercici vs sedentarisme) i de quina manera vivim poden estar jugant un paper més important del que pensem en la nostra salut. Com de costum, recalcar que la meva interpretació dels apunts i fonts diverses usades per a consultar la informació poden estar subjectes a errors d’interpretació. Al cap i a la fi, sóc tant nou en això com vosaltres 🙂
No sé que veuré en les següents setmanes del curs (ja estan disponibles els continguts de la setmana 2!), però així a priori no crec que res tant rellevant com per a dedicar-li un altre post. Però si us interessa el tema, podeu deixar un comentari i puc continuar explicant què vaig veient al curset 😉
