Evolutia Genotipului Uman

EVOLUTIA GENOTIPULUI UMAN Profesor coordonator: Ciucă Cristina Unitate de invățământ: Colegiul National “Ion C. Brătianu” Elevi participanți: Pană Eduard Pop Teodor Despa Bogdan

Genetica 

Genetica este o ramură a biologiei care studiază fenomenele și legile eredității și ale variabilității organismelor.



Genetica studiază structura moleculară și funcțională a genelor, comportamentul genelor în contextul unei celule sau organism (de exemplu dominanța și epigenetica), modul de transmitere a caracterelor de la părinți la urmași, distribuirea genelor și variația și schimbarea populațiilor. Știind faptul că genele sunt universale pentru organismele vii, genetica poate fi aplicată la studiul tuturor sistemelor vii, de la virusuri și bacterii la plante și animale domestice și apoi la om (în genetica medicală).

GENETICA ÎN TIMPURILE STRĂVECHI • OMUL ÎNCEPE SĂ REALIZEZE CÂTEVA LUCRURI ESENȚIALE ȘI UNIVERSALE DESPRE EREDITATE CÂND ARE LOC ÎN MEZOLITIC, CÂND SE CULTIVĂ INTENS PLANTELE ȘI SE OBSERVĂ COMBINAȚIILE DINTRE ACESTEA.  UNELE SIMBOLURI ALE EREDITĂȚII SE GĂSESC ÎN MITOLOGIA HINDUSĂ; ACUM 3 000 DE ANI, SUMERIENII POLENIZAU PLANTELE ÎN MOD ARTIFICIAL ȘI CREAU RASE DE ANIMALE. CEA MAI VECHE OBSERVAȚIE ASUPRA TRANSMITERII CARACTERELOR EREDITARE DE LA PĂRINȚI LA URMAȘI S-A GĂSIT PE O TABLĂ DE PIATRĂ VECHE DE PESTE 6.000 DE ANI. PIATRA, DESCOPERITĂ ÎN LOCALITATEA ELAM SITUATĂ LA EST DE ORAȘUL UR DIN CHALDEEA, REPREZINTĂ GENEALOGIA A 5 GENERAȚII DE CAI. PE TABLETĂ SUNT INSCRIPȚIONATE INDICAȚII REFERITOARE LA MODUL CUM SE TRANSMIT LA URMAȘI FORMA CAPULUI ȘI A COPITELOR. ACESTE MĂRTURII DEMONSTREAZĂ CĂ ÎN CHALDEEA, ACUM ȘASE MILENII, SE PRACTICA HIBRIDIZAREA CAILOR. ODATĂ CU EVOLUȚIA SOCIETĂȚII UMANE ȘI DATORITĂ CREȘTERII NECESARULUI DE MATERII PRIME PENTRU INDUSTRIE, S-AU ACUMULAT CUNOȘTINȚELE DESPRE EREDITATE.

Apariția geneticii ca știință 

Desi stiinta geneticii a inceput cu lucrarile aplicate si teoretice ale lui Gregor Mendel la mijlocul secolului al 19-lea, alte teorii de mostenire i-au precedat lui Mendel. O teorie populara in timpul lui Mendel a fost asa numitul concept al mostenirii prin amestecare: faptul ca indivizii mostenesc un amestec de trasaturi de la parintii lor. Lucrarile lui Mendel au furnizat exemple în care trasaturile erau cu siguranta neamestecate dupa hibridizare, aratand ca trasaturile se produc in urma unei combinari a unor gene distincte mai degraba decat a unui amestec continuu. Amestecul de trasaturi este explicat astazi de actiunea unor gene multiple cu ajutorul geneticii cantitative. O alta teorie care a fost sustinuta la timpul acela a fost mostenirea caracteristicilor dobandite: convingerea era ca indivizii mostenesc trasaturi consolidate de parintii lor. Aceasta teorie (asociata cu Jean-Baptiste Lamarck) a fost dovedita ca fiind gresita, experienta indivizilor nu afecteaza genele transmise copiilor lor. Alte teorii includ pangenesis a lui Charles Darwin (care cuprindea ambele aspecte: dobandite si mostenite) si reformularea lui Francis Galton a pangenesis ca fiind particulara si mostenita.

Genetică mendeliană și clasică – Ereditatea caracterelor (de exemplu: copilul moștenește trăsături atât de la mamă, cât și de la tată) a fost observată încă din antichitate. Demonstrarea știintifică acestui fapt a fost realizată abia în secolul al XIX-lea, mai precis în urma experimentelor efectuate de călugărul austriac Gregor Mendel considerat părintele geneticii. Observațiile sale au permis stabilirea legilor transmiterii caracterelor ereditare, numite și Legile lui Mendel. Mendel și-a citit lucrarea „Versuche uber Pflanzen-Hybriden”(„Experiențe asupra hibridizării plantelor”) la două întruniri ale Societății de Istorie Naturală din Moravia în 1865. Publicarea lucrării sale în jurnalul societății în 1866 a avut un impact slab, fiind citată doar de trei ori în următorii 35 ani. Recunoașterea importanței descoperirilor sale a fost realizată doar la începutul secolului al XX-lea când Hugo de Vries, Carl Erich Correns și Erich von Tschermak au ajuns în mod independent la aceleași concluzii ca și Mendel, redescoperind astfel legile eredității. În 1903 apare teoria conform căreia cromozomii sunt purtătorii eredității, iar în 1909 că genele sunt localizate pe cromozomi. În 1906, William Bateson a introdus termenul genetică. În 1927, este introdus termenul de mutație pentru a descrie schimbările suferite de materialul genetic. În 1953 este descifrată structura elicoidală, dublu catenară a ADN-ului iar în 1957 este descris mecanismul de replicare a ADN-ului.

Moștenirea discretă și legile lui Mendel

• La nivelul cel mai fundamental, ereditatea organismelor are loc prin intermediul unor trăsături discrete, denumite gene. Această proprietate a fost observată pentru prima dată de către Gregor Mendel, care a studiat segregarea trăsăturilor ereditare la plantele de Pisum sativum (mazăre). În experimentele sale studiind trăsăturile pentru culorile florile, Mendel a observat faptul că florile fiecărei plante de mazăre era sau mov sau albă - dar niciodată o formă intermediară între cele două culori. Aceste diferențe, versiuni discrete ale aceleași gene, sunt numite alele. • În cazul mazării, care este o specie diploidă, fiecare plantă individuală are două copii a fiecărei gene, o copie moștenită de la fiecare părinte. Multe specii, printre care și omul, este compus genotipic după același model de transmitere a caracterelor. Organismele diploide cu două copii ale aceleași alelă a unei gene date sunt denumite homozigote, în timp ce organismele cu două alele diferite a unei gene date sunt denumite heterozigote. • Setul de alele pentru un organism dat este denumit genotip, în timp ce trăsăturile observabile ale organismului sunt cunoscute ca fiind fenotipul său. Când organismele au o genă heterozigotă, adesea una dintre alele este denumită alelă dominantă din moment ce ea determină fenotipul organismului, în timp ce alte alele sunt denumite alele recesive din moment ce ele au caracter recesiv și nu se observă. Unele alele nu au dominanță completă și atunci au semi-dominanță prin înfățișarea unui fenotip intermediar, sau au codominanță prin infățișarea ambelor alele în același timp. • Când o pereche de organisme se reproduce din punct de vedere sexual, progenitura lor moștenește la întâmplare una dintre cele două alele de la fiecare părinte. Aceste observații ale moștenirii discrete și a segregației alelelor sunt cunoscute împreună ca Prima Lege a lui Mendel sau Legea Segregației.

INTERACȚII A GENELOR MULTIPLE • Organismele au mii de gene în componență, iar în organismele cu reproducere sexuală aceste gene sunt în general grupa independent una de cealaltă. Asta înseamnă că moștenirea unei alele pentru bobul de mazăre de culoare galbenă sau verde nu are legătură cu moștenirea alelelor pentru florile de culoare albă sau mov. Acest fenomen, cunoscut ca „a Doua Lege a lui Mendel” sau „legea separării independente”, asta însemnând că alelele a diferite gene se amestecă între cele ale părinților pentru a forma progenitura prin multe combinații diferite. (Unele gene nu se separă independent, demonstrând liknageul genetic, un topic discutat mai jos în articol.) • Adesea gene diferite pot interacționa într-un mod care influențează același caracter. De exemplu, la specia Omphalodes verna există o genă cu alele care determină culoarea florii: albastru sau magenta. Altă genă, totuși, controlează dacă florile să fie colorate sau albe. Când o plantă are două copii ale acestei alele albe, florile sale sunt albe - indiferent dacă prima genă are alele albastre sau magenta. Interacțiunea dintre gene este denumită epistazie, a doua genă fiind epistatică pentru prima. • Multe trăsături nu sunt caractere discrete (de exemplu, florile violet sau albe) însă sunt caractere continue (de exemplu înălțimea omului și culoarea pielii umane). Aceste trăsături complexe sunt produsul mai multor gene.  Influența acestor gene este mediată, în măsură variabilă, de mediul înconjurător pe care un organism l-a experimentat. Capacitatea prin care o genă a unui organism contribuie la o trăsătură complexă se numește eritabilitate. Măsurătorile eritabilității unei trăsături sunt relative - într-un mediu mult mai variat, mediul are o influență mai mare asupra variației caracterului. De exemplu, înălțimea umană este un caracater cu cauze complexe. În Statele Unite, ea are o eritabilitate de 89%. În Nigeria, totuși, unde populația are accesul variabil la o nutriție bună și la controlul sănătății, înălțimea are eritabilitatea de doar 62%.

ADN-ul și cromozomii •

Baza moleculară pentru gene este acidul dezoxiribonucleic (ADN). ADN-ul este compus dintr-un lanț de nucleotide, dintre care există patru tipuri: adenina (A), citozina (C),guanina (G) și timina (T). Informația genetică există în secvențele acestor nucleotide, iar genele sunt întinderi vaste ale acestor secvențe de-a lungul ADN-ului. Virușii sunt singurele abateri de la această regulă - câteodată virușii folosesc molecula de ARN foarte asemănătoare decât pe cea a ADN-ului ca material genetic.

•

În mod normal, ADN-ul este o moleculă dublu-catenară, răsucită într-o formă dublu-spiralată. Fiecare nucleotid din molecula de ADN se leagă de preferință cu un nucleotid partenet din catena opusă: adenina se leagă cu timina și citozina se leagă cu guanina. Astfel, în forma sa dublu-catenară, fiecare catenă conține efectiv toată informația necesară, redundant cu catena parteneră. Această structură a ADN-ului este baza fizică pentru transmiterea caracterelor:  replicarea ADNului duplică informația genetică prin despărțirea catenelor și folosindu-le pe fiecare ca șablon pentru pentru sinteza unei noi catene noi.

•

Genele sunt aranjate linear de-a lungul lanțurilor lungi de secvențe de baze-perechi ale ADN-ului. La bacterii, fiecare celulă conține în mod normal un singur genofor circular, în timp ce organismele eucariote (care includ plantele și animalele) au ADN-ul aranjat în cromozomi multipli lineari. Aceste catene ale ADN-ului sunt adesea foarte lungi; cel mai lung cromozom uman, de exemplu, are aproximativ 247 de milioane de baze azotate în lungime.  ADN-ul cromozomului este asociat cu proteinele structurale care organizează, compactează și controlează accesul la materialul genetic, formând un material denumit cromatină; la eucariote, cromatina este de obicei compusă din nucleozomi, segmente de ADN care lezează nucleele proteinelor histone. Setul întreg de material genetic dintr-un organism (de obicei secvențele de ADN combinate ale tuturor cromozomilor) este denumit genom.

•

În timp ce organismele haploide au doar o copie a fiecărui cromozom, majoritatea animalelor și a plantelor sun diploide, conținând doi din fiecare cromozomi și astfel și două copii a fiecărei gene. Cele două alele pentru o genă sunt localizate într-un loc identic cu cei doi cromozomi omologi, fiecare alelă moștenind caracterele de la un părinte diferit.

RECOMBINAREA ȘI ÎNLĂNȚUIREA • Natura diploidă a cromozomilor permite genelor de pe cromozomii diferiți să se grupeze independent în timpul reproducerii sexuate, recombinându-se pentru a forma noi combinații de gene. Teoretic, genele de pe același cromozom nu s-ar recombina niciodată, însă se poate în timpul procesului de crossing-over cromozomal. În timpul încrucișării, cromozomii își schimbă între ei secvențe de ADN, amestecând efectiv alelele între cromozomi.  Acest proces de încrucișare cromozomală are loc în general în timpul meiozei, o fază din timpul diviziunii în care are loc producerea de celule haploide. • Probabilitatea încrucișării cromozomale ce are loc între două puncte date de pe cromozom este strâns legată de distanța dintre aceste două puncte. Pentru o oarecare distanță, probabilitatea încrucișării este destul de mare astfel încât transmiterea ereditară a genelor este efectiv necorelată. Pentru genele care sunt apropiate una de alta, totuși, probabilitatea mai mică a încrucișării cromozomale înseamnă că genele demonstrează înlănțuirea genică - alelele a două gene tind să fie transmise înlănțuit. Totalitatea înlănțuirilor genetice dintre o serie de gene poate fi combinată pentru a forma o hartă genetică liniară care descrie aproximativ plasarea genelor de-a lungul cromozomilor.

CODUL GENETIC •

GENELE ÎN GENERAL ÎȘI EXPRIMĂ EFECTUL FUNCȚIONAL PRIN PRODUCEREA DE PROTEINE, CARE SUNT MOLECULE COMPLEXE RESPONSABILE PENTRU MAJORITATEA FUNCȚIILOR DIN CELULĂ. PROTEINELE SUNT CONSTITUITE DIN UNUL SAU MAI MULTE LANȚURI DE POLIPEPTIDE, FIECARE DINTRE ELE FIIND COMPUSE DIN SECVENȚE DE AMINOACIZI, IAR SECVENȚA ADN A UNEI GENE (PRINTR-UN ARN INTERMEDIAR) ESTE FOLOSITĂ PENTRU PRODUCEREA UNEI SECVENȚE SPECIFICE DE AMINOACIZI. ACEST PROCES ÎNCEPE CU PRODUCEREA UNEI MOLECULE DE ARN CU O SECVENȚĂ CARE MARCHEAZĂ SECVENȚA ADN A GENEI, PROCES CUNOSCUT SUB NUMELE DE TRANSCRIERE.

•

ACEASTĂ MOLECULĂ A ARN-ULUI MESAGER ESTE ULTERIOR UTILIZATĂ PENTRU PRODUCEREA UNEI SECVENȚE DE AMINOACIZI CORESPUNZĂTOARE PRINTR-UN PROCES DENUMIT TRANSLAȚIE. FIECARE GRUPĂ DE TREI NUCLEOTIDE DIN SECVENȚĂ, DENUMITE ÎMPREUNĂ CA CODON, CORESPUND FIE UNEIA DINTRE CELE DOUĂZECI DE POSIBILI AMINOACIZI DINTR-O PROTEINĂ, FIE UNEI INSTRUCȚIUNI CARE COMANDĂ SFÂRȘITUL SECVENȚEI DE AMINOACIZI; ACEASTĂ CORESPONDEȚĂ SE NUMEȘTE COD GENETIC. FLUXUL DE INFORMAȚII ESTE UNIDIRECȚIONAL; INFORMAȚIA ESTE TRANSFERATĂ DE LA SECVENȚA DE NUCLEOTIDE LA SECVENȚA DE AMINOACIZI DIN PROTEINE, DAR NU SE TRANSFERĂ NICIODATĂ DIN PROTEINE ÎNAPOI ÎN SECVENȚA DE ADN - FENOMEN DESCOPERIT DE FRANCIS CRICK ȘI DENUMITE DOGMA CENTRALĂ A BIOLOGIEI MOLECULARE.

•

SECVENȚA SPECIFICĂ DE AMINOACIZI REZULTĂ ÎNTR-O STRUCTURĂ UNICĂ TRI-DIMENSIONALĂ PENTRU ACEEA PROTEINĂ, IAR STRUCTURILE TRI-DIMENSIONALE ALE PROTEINELOR SUNT LEGATE DE FUNCȚIILE LOR. UNELE SUNT MOLECULE STRUCTURALE SIMPLE, CUM SUNT ȘI FIBRELE FORMATE DE CĂTRE COLAGENUL DIN PROTEINE. PROTEINELE SE POT LEGA ÎNTRE ELE ȘI CU MOLECULELE SIMPLE, CÂTEODATĂ ACȚIONÂND CA NIȘTE ENZIME PRIN FACILITAREA UNOR REACȚII CHIMICE DINTRE MOLECULELE LEGATE (FĂRĂ SĂ SCHIMBE STRUCTURA PROTEINEI ÎN SINE). STRUCTURA PROTEINEI ESTE DINAMICĂ; HEMOGLOBINA SE LEAGĂ ÎN DIFERITE FORME DIN MOMENT CE FACILITEAZĂ PRIMIREA, TRANSPORTUL ȘI ELIBERAREA OXIGENULUI ÎN CADRUL SÂNGELUI MAMIFERELOR.

•

UN SINGUR NUCLEOTID DIFERIT ÎN CADRUL ADN-ULUI POATE CAUZA O SCHIMBARE ÎN SECVENȚA DE AMINOACIZI DIN PROTEINĂ. DIN CAUZA FAPTULUI CĂ STRUCTURILE PROTEINELOR SUNT REZULTATUL PROPRIILOR SECVENȚE DE AMINOACIZI, UNELE SCHIMBĂRI POT SCHIMBA DRAMATIC PROPRIETĂȚILE UN EI PROTEINE PRIN DESTABILIZAREA STRUCTURII SAU SCHIMBAREA SUPRAFEȚEI PROTEINEI ÎNTR-UN MOD CARE SCHIMBĂ INTERACȚIA SA CU ALTE PROTEINE ȘI MOLECULE. DE EXEMPLU, SICLEMIA ESTE O BOALĂ GENETICĂ CARE REZULTĂ DIN CAUZA UNEI SINGURE BAZE AZOTATE DIFERITE ÎN CADRUL REGIUNII DE CODIFICARE PENTRU SECȚIUNEA Β-GLOBINĂ A HEMOGLOBINEI, CAUZÂND UN SINGUR SCHIMB DE AMINOACID CARE SCHIMBĂ PROPRIETĂȚILE FIZICE ALE HEMOGLOBINEI.