GENÉTICA 3. LA HERENCIA. GENÉTICA MOLECULAR.

Transcripción

1 GENÉTICA La vida necesitó miles de millones de años para surgir. Hoy, la aparición de nueva vida puede ser muy rápida: bastan 20 minutos para que se origine una nueva bacteria y 22 meses para un nuevo elefante. Esto ha sido posible gracias a la aparición de los genes: los descendientes actuales de los primeros ácidos nucléicos. Ahora se producen descendientes por las instrucciones proporcionadas por los genes. Lo que hereda un organismo determina su supervivencia potencial. El resultado es un adulto que muestra un parecido con sus padres en aspectos principales y una variación con respecto a aspectos secundarios. Si las variaciones no son letales, el nuevo individuo sobrevivirá. 3. LA HERENCIA. GENÉTICA MOLECULAR. - Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia. (Repasaremos del archivo de 4º) - La herencia del sexo. Herencia ligada al sexo. Genética humana. La herencia del sexo. Cromosomas sexuales X e Y, segmento homólogo, segmento diferencial, caracteres ginándricos y holándricos. Herencia ligada al sexo. Herencia influida por el sexo Alelismo múltiple y grupo sanguíneo. - La teoría cromosómica de la herencia. Teoría cromosómica de la herencia. Genes ligados. Series de múltiples alelos. - La genética molecular o química de la herencia. Identificación del ADN como portador de la información genética. Concepto de gen. Genes enzimas y caracteres. Del gen a la proteína. El flujo de la información genética Replicación de la doble hélice: Biosíntesis de ADN en células procariotas y eucariotas. Corrección de errores - Las características e importancia del código genético y las pruebas experimentales en que se apoya. Trascripción y traducción genéticas en procariotas y eucariotas. La expresión del mensaje genético Mecanismos de transcripción La transcripción en procariotas y eucariotas: iniciación, elongación, terminación. Maduración postranscripcional Traducción: descodificación del ARN. El código o la clave genética. Traducción. Activación de los aminoácidos. Traducción: iniciación, elongación y finalización de la síntesis. Asociación de varias cadenas polipeptídicas para constituir proteínas. La regulación de la expresión génica, concepto. - La genómica y la proteómica. Organismos modificados genéticamente. - Alteraciones en la información genética; las mutaciones. Los agentes mutagénicos. Mutaciones y cáncer. Implicaciones de las mutaciones en la evolución y aparición de nuevas especies Las mutaciones. Mutaciones génicas o puntuales. Mutaciones cromosómicas. Mutaciones genómicas o numéricas. Agentes mutagénicos físicos, químicos y biológicos.

2 CONCEPTOS BASICOS La GENÉTICA es la ciencia que estudia la herencia de los genes o caracteres que se transmiten de padres a hijos. El carácter hereditario es cualquier característica morfológica o fisiológica que presenta un ser vivo y que se hereda de padres a hijos descendencia). Ej.: el color del pelo, el color de los ojos Pueden ser: -Carácter cualitativo: Cuando presenta unas pocas alternativas (generalmente dos) claras, fáciles de observar; están regulados por una única pareja de alelos. Ejemplo semilla lisa o rugosa -Carácter cuantitativo: Cuando puede presentarse en diferentes grados entre dos valores extremos. Depende de varios pares de alelos. Ej. el color de la piel. Cuando los genes que los determinan se localizan en los autosomas se denominan caracteres autonómicos. Si están en los heterocromosomas se llaman caracteres ligados al sexo. Un gen es un fragmento de ADN que lleva información para sintetizar una proteína, que tiene como consecuencia el desarrollo de un carácter en el indivíduo. Son las unidades estructurales y funcionales de la herencia que se transmiten de padres a hijos a través de los gametos y regulan la manifestación de los caracteres. Mendel desconocía su naturaleza y su localización y los denominó factores hereditarios. Los genes se sitúan linealmente a lo largo del cromosoma y se suelen representar con una letra. Alelos o alelomorfos. Son las diferentes alternativas que puede presentar un gen, debido a las mutaciones. En la mayoría de los casos cada gen presenta dos alelos, aunque a veces hay más de dos, cuando ocurre esto forman una serie alélica. El alelo más extendido se denomina alelo normal, mientras que los otros, más escasos, se denominan alelos mutados. En los seres diploides la mayoría de los caracteres están controlados por dos genes alelos, que se localizan en el mismo lugar de cada uno de los cromosomas homólogos; cada uno de ellos procede de un progenitor. Se suelen representar por la misma letra, mayúscula o minúscula según que el alelo sea dominante o recesivo. Los alelos pueden ser: -Alelo dominante. Un alelo se dice que es dominante cuando tienen mayor fuerza de expresión y se manifiestan siempre, se representan por letras mayúsculas. -Alelo recesivo. Un alelo se dice que es recesivo cuando tienen menor fuerza de expresión, sólo se manifiesta cuando el otro alelo es igual, quedando enmascarado por el alelo dominante. Se representan por letras minúsculas. -Alelos codominantes. Dos alelos son codominantes cuando los dos tienen igual fuerza de expresión, son equipotentes, se manifiestan los dos. Genotipo es el conjunto de genes que posee un organismo. Fenotipo es el carácter que se manifiesta en el individuo. El fenotipo es el resultado de la interacción de un genotipo con un determinado ambiente. Homocigoto o puro para un carácter. Individuo que tiene o posee los dos alelos iguales para el mismo carácter. Este puedes ser homocigótico dominante o recesivo. Esos se representan con letras iguales; en el caso del dominante se representa AA, mientras que el recesivo se representa aa. Heterocigoto o hibrido. Individuo que tiene dos alelos distintos para el mismo carácter. Este se representa mediante dos letras una mayúscula y otra minúscula. Si el individuo es híbrido para dos caracteres se denomina dihíbrido, si es para muchos polihíbrido. Gen o alelo dominante. Gen cuya presencia impide que se manifieste la acción de otro alelo distinto para el mismo carácter. Gen o alelo recesivo. Gen que solo manifiesta su acción en ausencia de un alelo dominante es decir únicamente aparece en el fenotipo si se encuentra en homocigosis. Genes o alelos codominantes. Alelos para el mismo carácter que poseen idénticas capacidad para expresarse; cuando se encuentran juntos en el mismo individuo, en este se manifiesta la acción de ambos. Alelos letales. Son aquellos alelos que poseen una información deficiente un carácter tan importante que, sin él, el ser muere. Los alelos letales suelen ser recesivos, por lo que necesitan estar en homocigosis para manifestarse.

3 Genética mendeliana o mendelismo. Es la parte de la Genética que estudia la transmisión de los caracteres hereditarios, teniendo en cuenta las proporciones matemáticas en que aparecen estos caracteres entre los descendientes. Se basa en los experimentos de Mendel en los guisantes. Genética molecular. Estudia las moléculas que contienen la información biológica y los procesos bioquímicos de su transmisión y manifestación. Locus en plural loci. Es el lugar que ocupa un gen en el cromosoma. Cada cromosoma posee muchos loci. Haploide. Individuo en el que los cromosomas de sus células son todos diferentes (no hay parejas de homólogos). Estos seres sólo poseen un gen para cada carácter. Diploide. Individuo en el que en todas sus células menos en los gametos los cromosomas son iguales dos a dos, es decir están agrupados en parejas. Los gametos sólo poseen un cromosoma de cada pareja y por ello tienen la mitad de cromosomas que las demás. Estos seres poseen dos alelos para cada carácter, que pueden llevar la misma o distinta información. Cromosomas homólogos. Son los dos cromosomas iguales, que en los seres diploides forman cada una de las parejas. Cada uno de ellos procede de un progenitor. Los cromosomas homólogos llevan genes que controlan los mismos caracteres, situados en los mismos lugares. Por ello en los seres diploides todos los caracteres están regulados por dos genes, sin embargo en los haploides solo por uno. Herencia dominante. Un carácter presenta herencia de tipo dominante. Cuando esta determinado por dos alelos y uno de ellos domina sobre el otro, es decir uno tiene mayor fuerza de expresión que el otro, ello en los heterocigóticos se manifiesta lo que indica el alelo dominante. El alelo recesivo sólo se manifiesta cuando esta en homocigosis. Herencia intermedia. Un carácter presenta herencia intermedia cuando esta determinado por dos alelos codominantes. En este caso ninguno domina sobre el otro y por ello en los heterocigóticos se manifiesta lo que indican los dos alelos o algo intermedio a lo que indican los dos alelos. LOS EXPERIMENTOS DE MENDEL El conocimiento de los principios en los que se basa la herencia de los caracteres biológicos se debe a los experimentos que Gregor Mendel realizó con plantas de guisante en 1856 hasta 1863 en el monasterio agustino de Bruno (actual república Checa). El éxito de Mendel en sus experimentos se debe a que las plantas de guisante (Pisum sativum L.) utilizadas reunían una serie de características que las hacían atractivas para los estudios de hibridación: Podían disponer de un gran número de variedades comerciales de esta planta. Los caracteres que presentaban eran fácilmente distinguibles. Las plantas son hermafroditas (se pueden autofecundar) pero también mediante la manipulación adecuada se pueden llevar a cabo fecundaciones cruzadas. El número de descendientes que se obtiene en cada cruzamiento es elevado. Mendel analizó 7 caracteres presentando en cada uno de ellos dos alternativas distintas: forma de la semilla (lisa o rugosa), color (verde o amarillo), color de la flor (púrpura o blanca), forma de la legumbre (lisa o estrangulada), color de la legumbre antes de madurar (verde o amarilla), posición de las flores (axiales o terminales) y longitud del tallo (largo o corto). Mendel seleccionó 14 plantas puras (homocigóticas) y tras autofecundarlas vio que los caracteres se mantenían invariables generación tras generación. Después, realizo cruzamientos entre estas 14 plantas lo que se denominó cruzamiento monohíbrido.

4 Primera ley de Mendel o ley de la uniformidad de los individuos de la primera generación. progenitores P Interpretación actual gmetos Analizamos esta ley en los dos tipos de herencia: 1- En caso de dominancia/recesividad Al cruzar semillas amarillas con semillas verdes, también puras, se observa cómo todas las semillas de la planta F1, son amarillas, como uno de los progenitores. Al gen con el carácter amarillo, se le llama dominante porque se manifiesta siempre, esté en forma homocigótica o heterocigótica. Al gen para el carácter rugoso se le denomina recesivo porque queda enmascarado por el dominante y sólo se manifiesta cuando está en homocigosis. 2- En caso de herencia intermedia En el color de las flores de los dondiegos, al cruzar homocigotos rojos con blancos, la F1, uniforme, es rosa. La transmisión es igual, pero la diferencia se da en que no se parecen a ninguno de los progenitores.

5 Segunda ley de Mendel o ley de la segregación Mendel cruzó dos individuos de la F1 Al autofecundar a las plantas de la F1 entre sí, en la F2 se obtienen un 75% de semillas amarillas y un 25% de verdes. 2ª generación F2 Mendel entendió que si aparecían de nuevo los caracteres verdes, debían estar de alguna manera presentes en la F1, aunque no se manifestaran. Esta ley dice que los factores (genes) que determinan un carácter son independientes, por eso dan las distintas posibilidades que vemos en la F2. Hoy día se explican las leyes de Mendel con los conocimientos de citología y genética que tenemos. (meiosis,fecundación etc.) La explicación que hoy damos a las leyes son: Los dos alelos que determinan el carácter se separan al formarse los gametos y luego, se unen al azar en la fecundación. Por tanto, los alelos son independientes; se separan y reparten entre los descendientes al azar. por eso aparece el verde en la F2. También se cumple esta ley en caso de herencia intermedia porque en la F2 vemos una variedad de fenotipos tras haberse separado los genes en los gametos.

6 EL CRUZAMIENTO DE PRUEBA O RETROCRUZAMIENTO Se utiliza el retrocruzamiento en caracteres con dominancia, para saber si un individuo, que manifiesta el fenotipo dominante, por ejemplo amarillo, tiene genotipo AA o Aa. Para ello, se cruza con un homocigoto para el alelo recesivo. Si el individuo que queremos analizar fuera homocigótico, toda la descendencia sería igual Si el individuo fuera heterocigótico, en la descendencia aparecería el carácter recesivo en la mitad de los descendientes. Por tanto observando la descendencia en ambos cruzamientos, podemos deducir el genotipo desconocido. Interpreta este cuadro:

7 Tercera ley de Mendel o ley de la independencia de los caracteres En los dos primeros experimentos, Mendel se fijó sólo en un carácter. Posteriormente, repitió los experimentos pero fijándose en la herencia de dos caracteres a la vez. En este caso, el color de la semilla y la forma de la semilla -lisa (L) y rugosa (l)-. Qué ocurre en este primer cruzamiento? Coloca los genes en la generación P y F1 Cómo interpretamos los resultados? Observando la F2 vemos que, además de los fenotipos de los padres: qué fenotipos aparecen? Al cruzar los guisantes amarillos lisos obtenidos en F1 dieron la siguiente proporción en la F2: 9:3:3:1 De 16, 9 son amarillos lisos : 3 verdes lisos : 3 amarillos rugosos : 1 verde rugoso. Esta 3ª ley hace referencia a la F2 y dice que cada uno de los caracteres se transmite a la descendencia independientemente de los demás. Esto quiere decir que el amarillo no tiene que heredarse siempre con el liso y que el verde no siempre tiene que heredarse con el rugoso sino que se combinan libremente dando lugar a. De esta manera demostró que los caracteres color y textura eran independientes. EXPLICACIÓN CROMOSÓMICA DE ESTA LEY La clave está en la formación de gametos, en la meiosis, pues los cromosomas homólogos se colocan al azar en la metafase y al repartirse los cromosomas, en la anafase, los dos alelos se separan. En una meiosis puede ir el A con L y en otra el A con l La distribución de cada alelo de una de las parejas de cromosomas homólogos es independiente de la distribución del otro par de alelos. nuevo con todas las posibilidades que tienen, el padre y la madre. En la fecundación se unen de

8 LA SEGUNDA GENERACIÓN F2 El hecho de que el alelo A vaya a un gameto no influye para que vaya el otro. Explicación de la 3ª ley de Mendel La distribución al azar de los cromosomas homólogos durante la metafase I de la meiosis, en la placa ecuatorial, y su separación en la Anafase I, es lo que va a permitir que se formen todas las combinaciones posibles entre los dos pares de cromosomas. En una meiosis los dos maternos emigran al mismo lado pero en otra pueden hacerlo a polos distintos -Escribe las distintas posibilidades de COMBINACIÓN de cromosomas en distintas meiosis.

9 Concepto de Ligamiento Hoy sabemos que esta tercera ley no se cumple siempre, como veremos sólo se cumple si los pares de alelos que determinan esos dos caracteres están situados en parejas de cromosomas homólogos diferentes, ya que si van en una misma pareja se transmiten conjuntamente. Los genes que van en una misma pareja se denominan genes ligados. Dos loci están ligados cuando se encuentran situados sobre el mismo cromosoma. Cuanto más alejados están entre sí dos loci ligados ( A,a y C,c) más probable es que se dé sobrecruzamiento entre ellos, cuanto más cerca están (A,a y B,b) menos probable es que se dé. Dos loci ligados pueden estar en Fase de Acoplamiento AB/ab (los dos alelos dominantes sobre el mismo cromosoma, y los dos recesivos sobre el cromosoma homologo) o en Fase de Repulsión Ab/aB (un alelo dominante y otro recesivo sobre cada cromosoma). -Los genes se encuentran localizados a lo largo de los cromosomas y por tanto tienden a heredarse juntos aquellos que se encuentran en el mismo cromosoma. Estos genes reciben el nombre de genes ligados y son los responsables de los caracteres que se transmiten conjuntamente a la descendencia Habían observado que en la mayoría de los cruces en los que los organismos diferían en dos caracteres, no se cumplía la proporción esperada de fenotipos 9:3:3:1. Los tipos parentales eran mucho más abundantes que los recombinantes (siendo estos los que aparecen como resultado de la combinación independiente de los caracteres de la generación P).En otros casos no se obtenían formas recombinantes y los individuos de la F2 mostraban los mismos fenotipos que los de la generación P. De ello se dedujo que determinados caracteres, denominados ligados se transmiten a la descendencia en forma conjunta. Genes, alelos y caracteres- Las variedades que existen para un mismo gen se denominan alelos. No hay que confundirlo con gen, que es la porción de ADN que informa de un carácter. Por ejemplo, un gen informa sobre el color de pelo, y puede tener alelos distintos: rubio, castaño, moreno. Para cada carácter recibimos información del padre y de la madre, y la expresión de uno u otro va a depender de la fuerza que tengan 1. Dominante es el alelo que se expresa. Se designa con mayúsculas. En este caso, A. 2. Recesivo: sólo se expresa cuando no está presente el dominante. Se expresa con minúscula, la a. Como se ve, habitualmente se representa el alelo dominante con la letra mayúscula y el recesivo con la misma letra en minúscula.

10 PRINCIPIO DE LA COMBINACIÓN INDEPENDIENTE:dos loci situados sobre cromosomas diferentes se combinan de forma independiente (3ª ley de Mendel)

11 No se da sobrecruzamiento entre los dos loci ligados. Se da sobrecruzamiento entre los dos loci ligados.

12 Alelismo múltiple y grupos sanguíneos: Codominancia Alelos múltiples son el conjunto de alelos que existen en una población para controlar un mismo carácter. La mayoría de los genes sólo suelen tener dos alelos, pero hay genes que tienen más de dos, en este caso se denominan series alelicas o alelos múltiples. El individuo únicamente lleva dos de estos alelos del gen, en este caso aparecerán mayor variedad de fenotipos. Proceden de las sucesivas mutaciones de un mismo gen. Un ejemplo lo constituye los grupos sanguíneos del sistema ABO están determinados por 3 alelos: I A, I B, i. Los dos primeros son codominantes entre sí y ambos son dominantes respecto a i. Codominancia Cuando los heterocigotos expresan los fenotipos de los dos caracteres. Un ejemplo lo podemos observar en distintas variedades de plantas, como por ejemplo las rosas (Rosa sp.). Al cruzar un homocigoto de flores rojas (RR) con un homocigoto de flores blancas (BB) se producen heterocigotos que presentan partes rojas y partes blancas. La herencia de los grupos sanguíneos en la especie humana es también un ejemplo de codominancia. Todas nuestras células tienen en su membrana una serie de marcadores que determinan que sean nuestras y sólo nuestras. Viene a ser como una especie de código de barras. En el caso de los glóbulos rojos sanguíneos, hay dos grupos de proteínas que hacen que éstos sean especiales: el grupo Rh y el grupo ABO. Vamos a ver cómo funciona el sistema ABO. genotipos Antígenos Anticuerpos Grupo sanguíneo Posibles receptores Posibles donantes Anti-B Anti-A Ninguno Ninguno Anti-A y Anti-B Wikipedia

13 LA TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA: GENES LIGADOS. SERIES DE MÚLTIPLES ALELOS. En la época de Mendel se desconocía lo que eran los genes, así como su localización, y el papel de la meiosis y de los gametos en la trasmisión hereditaria. En 1902 Sutton y Boveri, propusieron que la separación de los cromosomas durante la meiosis era la base para explicar las leyes de Mendel. En 1905 Thomas Morgan comprobó experimentalmente esta hipótesis y elaboro la teoría cromosómica de la herencia, que puede resumirse en los siguientes puntos: Los factores que determinan los caracteres hereditarios se localizan en los cromosomas. Cada gen ocupa un lugar determinado en un cromosoma concreto. Este lugar se denomina locus. Los loci para los distintos genes se encuentran situados linealmente, uno tras otro a lo largo del cromosoma. Los genes que están en el mismo cromosoma, tienden a heredarse juntos, a estos genes se les denomina genes ligados. Concepto de Ligamiento. Dos loci están ligados cuando se encuentran situados sobre el mismo cromosoma. Cuanto más alejados están entre sí dos loci ligados ( A,a y C,c) más probable es que se dé sobrecruzamiento entre ellos, cuanto más cerca están (A,a y B,b) menos probable es que se dé. LIGAMIENTO Y RECOMBINACION Mendel tuvo la suerte (o la habilidad) de que los caracteres que estudio estaban determinados por genes que se localizan en parejas de cromosomas homólogos diferentes. Debido a que los pares de alelos son mucho más numerosos que los pares de cromosomas homólogos, en cada par de cromosomas homólogos deben de existir muchos pares de alelos; por lo que es bastante frecuente que al estudiar la herencia conjunta de dos caracteres, los genes que los determinan se encuentren en la misma pareja de cromosomas homólogos. Al formarse los gametos, mediante la meiosis los cromosomas homólogos se separan y cada uno de ellos ira a un gameto. Los genes que se encuentran en el mismo cromosoma se denominan genes ligados e irán al mismo gameto por lo que se van a transmitir juntos, en este caso los caracteres que determinan se transmiten juntos a la descendencia en lugar de hacerlo de forma independiente, a este hecho se le denomina ligamiento y a los genes que se transmiten juntos se les llama genes ligados. Según la distancia que exista entre los loci de ambos genes se pueden diferenciar dos tipos de ligamiento: Ligamiento absoluto: Cuando la distancia entre los loci de ambos genes es muy pequeña y no puede haber sobrecruzamiento, transmitiéndose siempre juntos. En este caso los caracteres que determinan siempre van unidos. No se cumple la tercera ley. Ligamiento relativo: Cuando la distancia entre los loci es grande, puede darse sobrecruzamiento entre los cromosomas homólogos. El sobrecruzamiento tiene lugar en la profase de la primera división meiotica. Mediante este mecanismo dos cromátidas no hermanas de los cromosomas homólogos pueden intercambiarse fragmentos. Como consecuencia se formaran gametos que tendrán los genes ligados como en los cromosomas homólogos y otros que llevaran genes de uno y otro cromosoma homólogo. El sobrecruzamiento y la recombinación genética permite que genes que estaban ligados en un mismo cromosoma se separen y puedan transmitirse de forma independiente a la descendencia como si estuviesen en cromosomas diferentes. En este caso se cumple la ley de Mendel aunque con proporciones diferentes al 9/3/3/1 de la F2.