Dpto. Biología y CTMA. Colegio Maravillas

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1 PROGRAMA DE SELECTIVIDAD LA BASE QUÍMICA DE LA HERENCIA I. PRINCIPALES TEMAS DEL CURRICULUM 1. Bases citológicas 1.1. La meiosis Reproducción sexual Células gaméticas y fecundación Aspectos evolutivos. 2. Genética mendeliana 2.1. Conceptos básicos de herencia biológica Genotipo y fenotipo Las leyes de Mendel Primera ley de Mendel Segunda ley de Mendel Cruzamiento prueba y retrocruzamiento Tercera ley de Mendel Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas Teoría cromosómica de la herencia Los genes y los cromosomas La meiosis y su relación con las leyes de Mendel Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo. 3. Base química de la herencia 3.1. El ADN como portador de la información genética ADN y cromosomas Concepto de gen Conservación de la información: la replicación del ADN Expresión de la información genética: transcripción y traducción. El código genético Alteraciones de la información genética Concepto de mutación Causas de las mutaciones Consecuencias de las mutaciones Consecuencias evolutivas Efectos perjudiciales Genética aplicada Enfermedades hereditarias: concepto Mejora genética de animales y plantas Procedimientos clásicos Ingeniería genética Repercusiones sociales de la genética Eugenesia Genes y cáncer Proyecto genoma humano Clonación.

2 1.1. La meiosis Reproducción sexual Células gaméticas y fecundación Aspectos evolutivos 1.1 La meiosis es un tipo de división celular que ocurre en las células sexuales (no somáticas), de tal manera que reduce a la mitad su carga cromosómica, es decir de cada una célula diploide (2n) se obtienen 4 células haploides (n); puesto que un zigoto se obtiene de la fusión de estas células haploides se mantendrá constante el número cromosómico de generación en generación

3 Básicamente en este proceso se observan dos divisiones sucesivas: PRIMERA DIVISIÓN MEIÓTICA o división reduccional: Los cromosomas homólogos se emparejan y posteriormente se separan dando lugar a núcleos hijos, que lógicamente tendrán un cromosoma de cada par de homólogos. Cada cromosoma presenta todavía sus dos cromátidas. Consta de cinco fases que resumiré sucintamente a continuación: PROFASE I 1- Preleptoteno: El ADN se ha duplicado. 2- Leptoteno: Los cromosomas se unen a los centriolos mediante placas de unión. Comienza a formarse el huso cromático. 3- Zigoteno: Los cromosomas homólogos se aparean formando el complejo sinaptonémico. A los cromosomas en esta fase se les llaman bivalente o tétradas (contiene cuatro cromátidas) 4- Aquí ocurre el entrecruzamiento de las cromátidas de los cromosomas homólogos (crossing-over). Este fenómeno de fractura y posterior fusión del material genético está acompañado de los correspondientes enzimas polimerasas y ligasas. 5- Diploteno: Los homólogos comienzan a separarse, aunque todavía permanecen unidos por los quiasmas. ( Esta etapa en algunas células sexuales puede durar años) 6- Diacinesis: Los cromosomas se van condensando y los quiasmas se van desplazando hasta el extremo del cromosoma. La membrana nuclear y los nucléolos comienzan a desaparecer. PROMETAFASE I Termina de desparecer la membrana nuclear y los nucléolos; comienza la unión de los cromosomas a los microtúbulos cinetocóricos. METAFASE I Los bivalentes (parejas de homólogos) se disponen en un plano ecuatorial. ANAFASE I Se separan los bivalentes y cada uno de los cromosomas que formaban pareja emigran a los polos. TELOFASE I La división nuclear finaliza con la formación de dos núcleos hijos de material genético recombinado al azar; cada uno de ellos tiene un juego completo de cromosomas con cromátidas no hermanas recombinadas. En esta fase reaparecen el nucléolo y la membrana nuclear. Posteriormente se produce la CITOCINESIS y la separación de las células hijas. Por lo tanto las células formadas son haploides. DURANTE EL PERIODO COMPRENDIDO ENTRE EL

4 FINAL DE LA PRIMERA DIVISIÓN MEIÓTICA Y EL COMIENZO DE LA SEGUNDA DIVISIÓN NO HAY DUPLICACIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO. SEGUNDA DIVISIÓN MEIÓTICA Esta división es en realidad una mitosis normal, en la que las dos cromátidas de cada cromosoma se separan y emigran hacia los polos opuestos del huso cromático. Puesto que se han formado células haploides en la primera división, el resultado de esta segunda será una duplicación celular con el mismo contenido cromosómico. Sin embargo la dotación cromosómica entre ellas es distinta ya que es el fruto de la recombinación al azar de las cromátidas no hermanas. Las fases se denominan: PROFASE II, METAFASE II, ANAFASE II y TELOFASE II. Identifica estas fases!

5 1.2. Reproducción sexual Células gaméticas y fecundación Aspectos evolutivos 1.2. LA REPRODUCCIÓN SEXUAL Y LA MEIOSIS Las células y los organismos que se han reproducido por mitosis tiene la misma información genética por lo tanto sus posibilidades de adaptarse a posible cambios en su medio ambiente están muy limitadas. Los organismos que usan la meiosis a la hora de fabricar sus gametos garantizan una extraordinaria variabilidad en los zigotos formados, de esta manera los nuevos individuos podrán responder mejor a las alteraciones medioambientales. Siempre existirán organismos que podrán adaptarse a las exigencias del entorno y por lo tanto perdurarán en el tiempo. La variabilidad genética generada en la reproducción sexual se debe a: Las posibilidades de reparto en la segregación de los cromosomas parentales en la primera división meiótica. (Distribución independiente de los cromosomas homólogos) La recombinación y el intercambio de información en la profase I. En organismos unicelulares (protozoos ciliados) se ha observado que se reproducen asexualemente cuando las condiciones ambientales son favorables. Sin embargo puede haber intercambio de núcleos gaméticos cuando las condiciones son adversas, aumentando así las probabilidades de supervivencia. En este intercambio de núcleos no aumenta el número de células presentes; la fusión de las células es temporal. En los organismos complejos las células somáticas se reproducen por mitosis y las sexuales que dan lugar a los gametos se reproducen mediante meiosis. Elproceso de formación de los gametos se denomina gametogénesis: espermiogénesis y ovogénesis:

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7 2. Genética mendeliana 2.1. Conceptos básicos de herencia biológica Genotipo y fenotipo Las leyes de Mendel Primera ley de Mendel Segunda ley de Mendel Cruzamiento prueba y retrocruzamiento Tercera ley de Mendel Ejemplos de herencia mendeliana en animales y plantas Teoría cromosómica de la herencia Los genes y los cromosomas La meiosis y su relación con las leyes de Mendel Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo. 2.1 y Carácter hereditario: Cualquier característica morfológica, estructural o fisiológica presente en un ser vivo y que pueda trasmitirse a la descendencia. Gen: Es la unidad estructural y funcional de la transmisión genética. Es un mínimo fragmento de ADN que tiene capacidad e información suficiente para sintetizar una proteína. Genotipo: Conjunto de genes que posee un individuo. Fenotipo: Características que muestra un individuo gracias a la expresión de su genotipo en un determinado ambiente (nutrientes, hormonas, características externas etc.) Alelos: Distintas formas alternativas que presenta un gen. Homozigótico: Individuos que poseen los mismos alelos para el mismo carácter. Heterozigóticos: Individuos que poseen alelos distintos para el mismo carácter. Alelo dominante: La presencia de este alelo impide la expresión de otro para el mismo carácter. Alelo recesivo: Gen que sólo se manifiesta en homozigosis. Alelos codominantes: Se manifiestan los dos alelos ya que tienen idéntica capacidad de expresarse. Los alelos codominantes cuando forman un híbrido manifiestan fenotipos distintos a los que expresan los homozigóticos dominantes o recesivos. Locus: Lugar físico donde se encuentran los genes en el cromosoma.

8 2.2. Las leyes de Mendel Primera ley de Mendel Segunda ley de Mendel Cruzamiento prueba y retrocruzamiento Tercera ley de Mendel. PRIMERA LEY DE MENDEL: LEY DE LA UNIFORMIDAD DE LOS HIBRIDOS DE LA PRIMERA GENERACIÓN FILIAL (F 1 ) Cuando se cruzan dos razas puras una dominante y otra recesiva el resultado siempre es uniforme (el 100% de los hijos de la F1 es idéntico). Los híbridos manifiestan el carácter del alelo dominante. SEGUNDA LEY DE MENDEL: SEGREGACIÓN DE CARCATERES ANTAGÓNICOS EN LA SEGUNDA GENERACIÓN FILIAL Cuando se cruzan los individuos aparecidos en la primera generación filial se obtienen una descendencia no uniforme, debido a la segregación o separación de los alelos implicados al formarse los gametos. En esta F2 aparecerá, genotipos y fenotipos de la generación parental que habían desaparecido en la F1.

9 TERCERA LEY DE MENDEL: LEY DE LA INDEPENDENCIA DE LOS FACTORES HEREDITARIOS. En la transmisión de más de un carácter se observa que cada par de alelos se transmite de forma independiente, obteniéndose combinaciones que no están presentes en los genotipos parentales. Caso de las plantas de guisantes amarillo liso x verde rugoso; la F1 es híbrida e idéntica ( 1ª ley de Mendel); cuando se cruzan dos híbridos de la F1 se obtendrá: Cruzamiento de prueba o retrocruzamiento: En el caso de los genes que manifiestan herencia dominante, no existe ninguna diferencia aparente entre los individuos heterocigóticos (Aa) y los homocigóticos (AA), pues ambos individuos presentarían un fenotipo amarillo. La prueba del retrocruzamiento, o simplemente cruzamiento prueba, sirve para diferenciar el individuo homo del heterocigótico. Consiste en cruzar el fenotipo dominante con la variedad homocigota recesiva (aa). Si es homocigótico, toda la descendencia será igual, en este caso se cumple la primera Ley de Mendel. Si es

10 heterocigótico, en la descendencia volverá a aparecer el carácter recesivo en una proporción del 50%. MENDELISMO COMPLEJO A veces los resultados esperados en un cruce parece que no se ajustan a las leyes de Mendel; realmente esto no es así, lo que ocurre es que el efecto génico de las relaciones entre los distintos genes alteran aparentemente los resultados. CODOMINANCIA Y HERENCIA INTERMEDIA: En la codominancia los heterozigóticos manifiestan un fenotipo correspondiente tanto al alelo A como al a (reses blancas y negras de padre blanco y madre negra). En la herencia intermedia el heterozigótico es intermedio al de los homozigóticos ( flores rosas cuyos padres son blanco y rojo). INTERACCIÓN GENICA: EPISTASIA: Un gen epistático enmascara a otros no alélicos (hipostático) de tal manera que las proporciones 9:3:3:1 no se percibe. Existen epistasias dominantes, recesivas, doble dominante etc.

11 GENES LETALES: Un gen letal dificulta el desarrollo de un individuo hasta el punto que muere antes de que alcance la madurez. Puesto que no nacen, las frecuencias alélicas parecen distorsionar las leyes de Mendel. ALELISMO MULTIPLE: Es posible encontrar organismos en los que no solo hay dos alternativas para un gen, sino que existen varios genes que codifican para el mismo carácter observándose una auténtica serie alélica. (Grupos sanguíneos ABO). HERENCIA CUANTITATIVA, CONTINUA O POLIGÉNICA: Generalmente los organismos que se usan en experiencia genéticas presentan caracteres claramente diferenciados y por lo tanto se pueden cuantificar sin problemas. Sin embargo en la naturaleza podemos encontrar fenotipos que varían de forma continua y dan una gama enorme de fenotipos que se diferencian progresivamente. Este es el caso de las plantas de trigo de semilla roja y blanca, entre cuyos extremos se pueden encontrar numerosos fenotipos distintos. Ejemplos son la estatura y color de la piel en la especie humana.

12 Para comprender este fenómeno hay que imaginar que estos casos la herencia no está determinada por dos alelos sino que están implicados muchos alelos, cada uno de los cuales aportan su efecto acumulativo. La variación observada tiene que ser continua y la distribución de los fenotipos se ajusta a una curva normal. TEORÍA CROMOSOMICA DE LA HERENCIA MENDELIANA. Ni G. Mendel ni los redescubridores de sus leyes conocían los mecanismos exactos citológicos mediante los cuales se heredaban los caracteres. A finales del siglo XIX August Weisman comprobó que el número de unidades hereditarias en los gametos se reducía a la mitad y que en la fecundación se recomponía el número de unidades. Más tarde Sutton y Bovery supusieron que la meiosis era la base para explicar las leyes de Mendel. Ya en 1905 Thomas Morgan comprobó experimentalmente la hipótesis y elaboró la teoría cromosómica de la herencia mendeliana : Los factores que determinan los caracteres hereditarios (genes) se localizan en los cromosomas. Cada gen ocupa un lugar determinado en un cromosoma (locus). Los genes se encuentran situados a lo largo de los cromosomas. Los alelos se encuentran en los loci de los cromosomas homólogos, por lo que existen dos alelos para cada carácter; uno paterno y otro materno. LIGAMIENTO Y RECOMBINACIÓN Si Mendel hubiese elegido otros caracteres que los que eligió posiblemente no hubiese llegado a ninguna conclusión. O tal vez eligió los adecuado después de desechar aquellos con los que no podía deducir nada. Los genes que estudió estaban suficientemente separados en los cromosomas para que se pudiese dar una segregación independiente; sin embargo si los loci están muy juntos podría ocurrir que se transmitiesen juntos, entonces se dicen que esos genes están ligados. Estos genes se transmiten juntos a la descendencia sin que se produzca una segregación durante la gametogénesis y por lo tanto las frecuencias génicas esperadas no eran las obtenidas Determinismo del sexo y herencia ligada al sexo. DETERMINACIÓN GENÉTICA DEL SEXO Transmisión del sexo en animales: DETERMINACIÓN CROMOSÓMICA

13 Los primeros experimentos con insectos demostraron que existía una diferencia observable en los cromosomas de machos y hembras. El macho y la hembra presentan heterocromosomas o cromosomas sexuales que llevan información para la determinación del sexo. El resto de los cromosomas se denominan autosomas. Existen varios sistemas de determinación: SISTEMA XX/XY. El sexo femenino presenta dos cromosomas iguales XX y el masculino solo tiene un cromosoma X y uno Y. Por lo tanto las hembras solo tiene gametos X ( sexo homogamético) y los machos pueden producir gametos X y gametos Y (sexo heterogamético). Este sistema es el tienen muchos insectos, moluscos, equinodermos, mamíferos incluidos los humanos. SISTEMA ZZ/ZW. En este caso el macho es el homogamético con dos cromosomas Z, el heterogamético es de la hembra que tiene uno Z y otro W. Caso típico de los lepidópteros y reptiles tienen este sistema. SISTEMA XX/XO. El sexo heterogamético solo presenta un cromosoma X y no existe ningún otro cromosoma sexual. El sexo homogamético puede corresponder al macho o a la hembra dependiendo de los órdenes de insectos. Típico de los himenópteros. DETERMINACIÓN POR RELACIÓN ENTRE CROMOSMA X y AUTOSOMAS En la famosa Drosophila melanogaster la proporción entre el número de cromosomas X y autosomas (independientemente del cromosoma Y) es lo que determina el sexo del individuo. En las hembras el cociente =1, en los machos =0,5. DETERMINACIÓN POR HAPLO-DIPLOIDÍA En este caso los individuos haploides son machos y los diploides son hembras. La abejas reinas de las colmenas ponen huevos que si son fecundados producen hembras idénticas y si no lo son se producen machos partenogenéticos. DETERMINACIÓN GÉNICA En algunos insectos himenópteros existen varios alelos que determinan el sexo unos están en cromosomas sexuales y otros alelos están en autosomas; por lo tanto el hecho de ser macho o hembra está relacionado con genes más que con cromosomas. Transmisión del sexo en plantas: Casi todas las angiospermas son hermafroditas y no hay determinación cromosómica del sexo. Sin embargo, en plantas unisexuales o dióicas (sexos separados en distinto

14 pie de planta) la determinación del sexo puede ser génica. En algunas briofitas se han encontrado detreminación de tipo XX/XY y XX/XO. HERENCIA LIGADA AL SEXO Ligamiento con el cromosoma X: Todas las especies con determinismo XX/XY presentan unas hembras con doble dosis de genes cuyos loci se encuentran en el segmento diferencial de dicho cromosoma. Los machos solo pueden presentan una sola dosis de estos genes. Por lo tanto una hembra puede ser homozigótica o heterozigótica X D X D o X D X d mientras que el macho puede presentar el gen afectado o no presentarlo nunca hay heterozigosis X D y o X d Y. Casos típicos son el daltonismo y la hemofilia en las que encontraremos hembras sanas, enfermas y transmisoras o portadoras (heterozigóticas); los machos pueden estar enfermos o normales. Ligamiento al cromosoma Y: Son poco frecuentes los fenotipos producidos por genes que solo afectan a machos y nunca a las hembras; sin embargo, se han descrito casos de ictiosis y de hipertricosis en las orejas que están relacionados con genes asociados al cromosoma Y que nunca padecen las hembras. HERENCIA INFLUIDA POR EL SEXO En ocasiones algún rasgo autosómico está influido por el sexo, ejemplo clásico es la calvicie. Las mujeres heterozigóticas no son calvas, en ellas el alelo para la calvicie es recesivo. Los varones heterozigóticos son calvos porque en ellos el alelo para la calvicie es dominante. Esto es debido a las hormonas sexuales que son distintas en ambos casos.

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