Genética mendeliana

Genética. Cromosomas. Herencia genética. Alelos. Leyes de Mendel

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GENÉTICA MENDELIANA

1. Conceptos básicos de herencia biológica.

- Carácter. Es cada característica biológica que se transmite de una generación a la siguiente. Carácter cualitativo es un carácter que presenta una variabilidad limitada (por ejemplo, el daltonismo tiene dos posibilidades, poseer la enfermedad o estar sano); carácter cuantitativo es aquel que presenta una variabilidad muy elevada: la talla, el cociente intelectual, etc.

- Gen. Unidad de información genética, se corresponde con un fragmento de ADN componente de un cromosoma.

- Locus. Es el lugar físico que ocupa un gen en el cromosoma. El plural es loci.

- Cromosomas homólogos y genes alelos. Los cromosomas homólogos son aquellos que tienen los mismos loci. En cada célula hay dos series cromosómicas, una aportada por el gameto masculino y otra aportada por el gameto femenino. Cada cromosoma de una serie tiene su homólogo en la otra. Por tanto, cualquier carácter hereditario está determinado por dos genes, uno del padre y otro del cromosoma homólogo de la madre. A este par de genes que rigen un carácter se les denomina par de alelos o alelomorfos. Se representan por letras del alfabeto, una por cada uno de los genes que rige su carácter.

- Homocigosis y heterocigosis. Puesto que un carácter está determinado por dos genes, pueden ocurrir dos casos:

1) Que el gen del padre y de la madre, que forman la pareja de alelos, sean idénticos, en cuyo caso el carácter que rigen lo manifiestan de la misma manera. Se dice entonces que el individuo es homocigótico para este carácter o raza pura para el carácter; y se representa por dos letras iguales.

2) Que de los dos genes que rigen el mismo carácter, cada uno lo haga con una característica diferente. Se dice que el individuo es heterocigótico o híbrido para ese carácter. Se representan por dos letras, una mayúscula y otra minúscula.

- Herencia dominante. Es aquella en la que hay un alelo, el llamado dominante, que no deja manifestarse al otro, el llamado alelo recesivo.

- Herencia intermedia. Es aquella en la que uno de los alelos muestra una dominancia incompleta sobre el otro. Así pues, los híbridos tienen un fenotipo intermedio entre las dos razas puras.

- Herencia codominante. Es aquella en la que los dos alelos son equipolentes y, por tanto, no hay dominancia. Los híbridos presentan las características de las dos razas puras a la vez. Un ejemplo de esta situación es la herencia de los grupos sanguíneos humanos M-N. Los grupos se establecen en función de la presencia o ausencia en la superficie de los glóbulos rojos de los antígenos M o N. Se pueden distinguir tres tipos de individuos: los M, que presentan el antígeno M y cuyo genotipo es MM, los N, que presentan el antígeno N y cuyo genotipo es NN, que presentan el antígeno M y el antígeno N, a la vez, y cuyo genotipo es MN.

- Alelos letales. Son aquellos alelos que poseen una información deficiente para un carácter tan importante que, sin él, el ser muere. Los alelos letales pueden producir la muerte a nivel del gameto o a nivel del cigoto, pudiendo suceder entonces que le individuo no llegue a nacer, o bien que muera antes de alcanzar la capacidad reproductora. Los alelos letales suelen ser recesivos, por lo que necesitan darse en homocigosis para manifestarse.

- Factores heredables: genotipo. Son aquellos factores recibidos de los progenitores a través de las células reproductoras de éstos y, por tanto, son internos y se denominan genes. Genotipo es el conjunto de factores hereditarios que posee un individuo por haberlos recibido de sus progenitores. Existen factores heredables que no se manifiestan (factores recesivos), no pueden ser apreciados, por lo que el fenotipo no refleja fielmente al genotipo.

- Influencia ambiental: fenotipo. El fenotipo es el conjunto de caracteres externos, observables, del individuo. También se puede definir como la manera de manifestarse el genotipo después de haber actuado los factores ambientales sobre el individuo.

2. Las leyes de Mendel.

Gregorio Mendel, fraile agustino, nació en Austria en 1822. Publicó sus trabajos en 1866, pero no fueron descubiertos hasta el año 1900 por otros investigadores.

Mendel tuvo el acierto o la suerte de cruzar plantas de la misma especie pero que eran todas ellas homocigóticas para algún carácter fácilmente identificable y además, en las que cada carácter se situaba en el mismo cromosoma. Ello le supuso una gran facilidad a la hora de elaborar los resultados, aspecto con el que no contaron investigadores que le precedieron en el estudio de la herencia por lo cual no tuvieron éxito.

Sus estudios los realizó con plantas de guisantes puras para algunos caracteres, p. e., aspecto de la piel de la semilla (lisa / rugosa) o color de la semilla (amarillo / verde).

Los trabajos de Mendel fueron estructurados por sus descubridores y los resumieron en tres leyes que en su honor se les denominó leyes de Mendel.

2.1. Primera ley de Mendel o ley de la uniformidad de los híbridos en la primera generación filial.

Cuando se realiza el cruzamiento entre dos individuos de la misma especie, pertenecientes a dos variedades o razas puras, homocigóticas, todos los descendientes de la primera generación filial son híbridos e iguales entre sí. Esta uniformidad se manifiesta exteriormente por parecerse a uno de los padres (herencia dominante) o bien por aparecer un fenotipo intermedio (herencia intermedia).

a) Herencia dominante. Si cruzamos plantas de guisante con semillas de color amarillo con plantas de semillas verdes, todos los descendientes son amarillos, ya que domina sobre el verde.

b) Herencia intermedia. Existen dos variedades de la planta Dondiego de noche, una con flores rojas y otra con flores blancas. Si cruzamos una planta homocigótica para el color rojo con otra homocigótica para el color blanco, todas las plantas de la F1 serán de color rosa.

2.2. Segunda ley de Mendel o ley de la separación o disyunción de los genes que forman la pareja de alelomorfos.

Los dos genes que han formado pareja en la F1 se separan al formarse los gametos. Esto conduce a que en los individuos de la F2 aparezcan parejas de alelos distintas de las de la F1, por lo que dicha generación (F2) ya no es de genotipo uniforme.

2.3. Cruzamiento de prueba y retrocruzamiento.

El retrocruzamiento consiste en cruzar un individuo con uno de los parentales. Cuando es el homocigótico recesivo se llama cruzamiento de prueba.

En los casos de herencia dominante nos puede interesar conocer cuáles de los individuos de la F2 poseen el genotipo homocigótico (AA) y cuáles presentan el heterocigótico (Aa). Para ello, se realiza el cruzamiento de prueba, que consiste en cruzar el homocigótico recesivo (aa) con la planta de guisante problema.

2.4. Tercera ley de Mendel o ley de la independencia de los caracteres no antagónicos.

Cada uno de los caracteres hereditarios se transmite a la descendencia con absoluta independencia de los demás. Esta ley estudia aquellos casos en que se cruzan individuos puros para más de un carácter:

Tablero de Punnett.

3. Grupos sanguíneos humanos.

Cada uno de los órganos del cuerpo regula su desarrollo mediante genes. Así, el cabello oscuro es dominante frente al rubio, el cabello rizado domina sobre el lacio, ojos castaños sobre azules, etc. De gran importancia es el estudio de los grupos sanguíneos: sistemas AB0, MN y Rh. Se utilizan en medicina legal para la determinación de paternidades y elaboración de pruebas periciales.

3.1. Sistema AB0.

Descubierto por Landsteiner y colaboradores en 1900-1910. Compuesto por tres alelos IA, IB, I0, que determinan la presencia en glóbulos rojos de dos antígenos diferentes A (IAIA o IAI0), B (IBIB o IBI0), 0 (I0I0). Los dos primeros son dominantes sobre el tercero (I0), y codominantes entre sí.

Los eritrocitos de la sangre humana pueden contener dos tipos de antígenos (aglutinógenos) A y B, capaces de ser aglutinados por sus correspondientes aglutininas (aglutinina α y β respectivamente). La aglutinina α aglutina los eritrocitos con antígeno A, mientras que la aglutinina β lo hace con los eritrocitos que poseen antígeno B. Toda persona que posea el antígeno A, carece de aglutinina α pero sí presenta aglutinina β. Mientras que aquella persona que posea antígeno B, no posee aglutinina β y sí aglutinina α. Tenemos por tanto, cuatro combinaciones posibles entre los seres humanos.

Así, en una transfusión sanguínea es necesario conocer el grupo sanguíneo del receptor ya que se puede producir la aglutinación de los glóbulos rojos y la muerte del individuo.

3.2. Factor Rh.

Es un antígeno que se localiza en células humanas y de otros mamíferos, especialmente en eritrocitos. Está determinado por una pareja de alelos: R (presencia del antígeno -Rh+-) y r (ausencia del antígeno -Rh--).

Es de gran interés su estudio cuando una mujer sin factor Rh (Rh-) queda embarazada y el feto presenta el factor Rh (Rh+). En este caso, algunos de los glóbulos rojos del embrión pasan a través de la placenta al torrente sanguíneo de la madre con lo que ésta forma anticuerpos frente al factor Rh. Estos anticuerpos o aglutininas pasan al embrión a través de la placenta y aglutinan su sangre. Pero sólo ocurre a partir del primer parto, cuando la madre se ha sensibilizado y ha formado suficiente cantidad de anticuerpos frente al factor Rh.

4. Teoría cromosómica de la herencia.

4.1. Los genes y los cromosomas.

En los años posteriores a los experimentos de Mendel, segunda mitad del siglo XIX, no se conocía dónde se ubicaban, dentro de los seres vivos, los factores hereditarios de los que hablaba Mendel y que eran responsables de los resultados experimentales que obtuvo.

A partir de 1870 se observó por primera vez los cromosomas en los núcleos celulares y que, durante la división celular, se dividían longitudinalmente en dos y se repartían en los núcleos hijos. También se comprobó que el número de cromosomas es constante para cada especie.

En 1902, Sutton, propuso la hipótesis de que los factores hereditarios debían de estar localizados en los cromosomas.

Finalmente en 1905, Thomas H. Morgan, de la Universidad de Columbia, comprobó esta hipótesis trabajando con la mosca del vinagre Drosophila melanogaster, y elaboró la denominada teoría cromosómica de la herencia, que consta de las siguientes afirmaciones:

- Los factores que determinan los caracteres hereditarios (genes) se localizan en los cromosomas.

- Cada gen ocupa un lugar determinado en un cromosoma concreto. Este lugar se denomina locus (en plural, loci).

- Los loci para los distintos genes se encuentran situados linealmente a lo largo de los cromosomas.

- Los alelos se encuentran en los loci de los cromosomas homólogos; por esta razón existe un par para cada carácter.

4.2. La meiosis y su relación con las leyes de Mendel. Ligamiento y recombinación.

Según la tercera ley de Mendel, los diferentes caracteres hereditarios se transmiten de forma independiente unos de otros. En realidad, Mendel tuvo suerte al elegir caracteres en los que esto se cumple siempre, aunque también es posible que realizara otros experimentos en los que no fuera así.

Morgan, intentando comprobar la ley de la independencia de Mendel, y aplicando la teoría cromosómica de la herencia, descubrió los fenómenos de ligamiento y recombinación. Así, puede resumirse que los factores (o genes) de un mismo cromosoma se heredan juntos o ligados (sin independencia), formando un grupo de ligamiento; existen tantos grupos de ligamiento como pares de cromosomas tiene la especie (en el guisante son 7 y en el ser humano 23). Esto ocurre salvo que entre ellos se produzca un quiasma o entrecruzamiento de cromátidas durante la meiosis; en este caso se heredan con independencia los genes situados a ambos lados de la rotura cromosómica debido a la recombinación génica que se produce en las cromátidas resultantes. Así, durante la profase I, los cromosomas homólogos se emparejan formando los bivalentes. En ellos se produce un intercambio de fragmentos de cromátidas homólogas, proceso denominado sobrecruzamiento o crossing-over. De esta forma, genes que se encuentran en el mismo cromosoma pueden pasar al cromosoma homólogo, consiguiéndose, por tanto, su separación, proceso conocido como recombinación genética.

La probabilidad de una herencia independiente entre dos genes situados en un mismo cromosoma aumenta con la distancia entre ellos dentro del cromosoma.

5. Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo.

5.1. Determinación del sexo. Autosomas y heterocromosomas.

Viene determinado por los caracteres sexuales primarios (presencia o ausencia de gónadas masculinas o femeninas, órganos copuladores, etc.), es decir, necesarios para la reproducción; y por caracteres sexuales secundarios, que son aquellos aspectos morfológicos que diferencian a los machos de las hembras pero que no son necesarios para la reproducción: presencia de vello en la cara, diferencia morfológica del vello púbico, presencia de mamas desarrolladas, etc. Además, el sexo viene determinado por los cromosomas sexuales (heterocromosomas), frente al resto (autocromosomas o autosomas):

Hay especies diploides con dos tipos de heterocromosomas, X e Y: XX determina el sexo "homogamético" (cromosomas iguales); XY determina el sexo "heterogamético" (cromosomas desiguales). En los mamíferos y otras especies como Drosophila melanogaster (mosca del vinagre), XX define a la hembra y XY al macho. En las aves, el genotipo XX (ZZ) es el del macho y XY (ZW) el de la hembra.

Hay especies diploides con un solo cromosoma sexual (X). Así, en ortópteros (saltamontes), el macho es X0 (Z0) y la hembra XX (ZZ); en lepidópteros (mariposas), el macho es XX (ZZ) y la hembra X0 (Z0).

5.2. Herencia ligada al sexo.

Son caracteres ligados al sexo aquellos que tienen cierta tendencia a manifestarse en uno de los sexos, distintos de los caracteres sexuales. P. e., la hemofilia (imposibilidad de coagulación de la sangre), daltonismo (confusión de colores), ictiosis (piel con costras y con pelos muy gruesos), que son afecciones propias del hombre y no de la mujer. Las dos primeras están determinadas por genes localizados en el cromosoma X, mientras que el tercer carácter se sitúa en el cromosoma Y, por lo que sólo padecen esta enfermedad los hijos varones.

La explicación a esta diferente herencia estriba en que los cromosomas X e Y no son totalmente homólogos, hay segmentos de cromosoma homólogos y otros que no lo son (X es mayor que Y). En los hombres, los genes que se encuentran en los segmentos no homólogos o en el brazo de X que no aparece en Y, se manifestarán siempre aunque sean recesivos. Como las mujeres son XX, estos alelos recesivos difícilmente se manifestarán ya que habrán de encontrarse en los dos cromosomas X para que así ocurra.

5.3. Caracteres influidos por el sexo.

En algunos casos, machos y hembras con los mismos genotipos presentan distintos fenotipos.

Así, en algunas razas ovinas, la presencia o ausencia de cuernos está determinada por un par de alelos cuya relación de dominancia varía según se trate de hembra o de macho: el gen es dominante en los machos y recesivo en las hembras. Igual ocurre con la calvicie, la gota y el labio leporino (labio superior hendido, con aspecto de conejo), en la especie humana.