9. GENÉTICA MENDELIANA

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1 1. CONCEPTOS BASICOS 2. LEYES DE MENDEL PRIMERA LEY DE MENDEL SEGUNDA LEY DE MENDEL TERCERA LEY DE MENDEL 3. HERENCIA DEL SEXO 4. HERENCIA LIGADA AL SEXO 5. LIGAMIENTO Y RECOMBINACIÓN. 6. PROBLEMAS DE GENETICA. 1. CONCEPTOS BASICOS. 9. GENÉTICA MENDELIANA La genética es la parte de la biología que se ocupa del estudio de la herencia biológica e intenta explicar los mecanismos mediante los cuales se transmiten los caracteres de generación en generación. 1. Gen: es un segmento de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar una proteína, gen desde el punto de vista de la genética molecular; desde el punto de vista de la genética clásica, un gen es una unidad estructural y funcional de la herencia, transmitida de padres a hijos, a través de los gametos y regulan la manifestación de los caracteres heredables. 2. Alelo: un gen (A) puede modificarse mediante mutaciones, que dan lugar a la aparición de dos o más formas alternativas de dicho gen (A 1, A 2, A 3...), denominados alelos o alelomorfos. Por lo general se conocen varias formas alélicas de cada gen; el alelo más extendido en una población se denomina alelo normal o silvestre, mientras que los otros, más escasos, se conocen como alelos mutados. 3. Carácter génico o heredable: todas las características de un individuo son el resultado de la interacción de sus genes, en realidad de las proteínas que generan sus genes: Carácter cualitativo: es aquel que presenta dos alternativas fáciles de observar (normal o albino; liso o rugoso), reguladas por un único gen que presenta dos formas alélicas. Carácter cuantitativo: Es el que tiene diferentes graduaciones entre dos valores extremos. Por ejemplo, el carácter de enanismo o normalidad es cualitativo, pero la variación de estaturas dentro de cada uno de los dos casos es cuantitativo. Estos caracteres dependen de la acción acumulativa de muchos genes, cada uno de los cuales produce un efecto pequeño. 4. Genotipo: es el conjunto de genes que contiene un organismo heredado de sus progenitores. En los organismos diploides, la mitad de los genes se heredan del padre y la otra mitad se hereda de la madre 5. Fenotipo: es la manifestación externa del genotipo, es decir, la suma de los caracteres observables en un individuo. El genotipo es invariable e idéntico en todas las células de un organismo; pero el fenotipo puede no ser el mismo en todas ellas, pues es el resultado de la interacción entre genotipo y el ambiente. Fenotipo = genotipo + acción del ambiente. El ambiente de un gen lo componen los otros genes, el citoplasma celular y el medio externo donde se desarrolla el individuo. Esta distinción entre genotipo y fenotipo, refleja la distinción entre funciones llevadas a cabo por los ácidos nucléicos (genotipo) y las proteínas (fenotipo). 6. Locus: es el lugar que ocupa cada gen a lo largo de un cromosoma (el plural loci). 7. Homocigoto o raza pura: tras la meiosis cada gameto es portador de uno de los dos alelos; si los gametos que participan en la formación del zigoto después de la fecundación son portadores del mismo alelo, se forman individuos homocigoticos AA o aa 8. Heterocigoto o híbrido: son los individuos que poseen dos alelos distintos (Aa) para un determinado carácter; se obtienen al cruzar dos razas puras. Si los individuos difieren en un solo carácter se denominan monohíbridos, si difieren en dos caracteres se denominan dihíbridos, etc. 9. Herencia dominante: se dice que un carácter tiene herencia dominante cuando en el híbrido solo se expresa uno de sus alelos (el alelo dominante), el otro alelo (el recesivo) no se expresa, para poder expresarse, debe estar en homocigosis. 147

2 10. Herencia intermedia o codominancia: se produce cuando en el híbrido (Aa) los dos alelos tienen la misma fuerza para expresarse, por lo que aparece un fenotipo intermedio entre el que tiene el individuo AA y aa. Ambos alelos se dice que son equipotentes, y aunque se siguen utilizando las letras mayúsculas y minúsculas, no indican ninguna relación de dominancia. 11. Teoría cromosómica de la herencia: durante mucho tiempo se supuso que los factores hereditarios o genes se encontraban en el núcleo y gracias a los trabajos de Morgan, se enunció esta teoría, hoy totalmente comprobada, según la cual, los genes dejaron de ser considerados como una entelequia, para pasar a ser considerados partículas materiales que se hallan situadas linealmente a lo largo de los cromosomas. 2. LEYES DE MENDEL En l865 Mendel tuvo la genialidad de limitar el estudio a cada uno de los caracteres por separado. Para ello cruzó plantas de la misma especie, pero de diferente raza, que se distinguían perfectamente por algún carácter. Para que los resultados sean satisfactorios, es necesario que los individuos con los que se realiza el primer cruzamiento (que se llaman parentales (P)) sean homocigóticos para el carácter que se estudia. Los descendientes que se obtenían (que forman la 1ª generación filial (F 1 )) son ya heterocigóticos o híbridos. Los resultados de las experiencias de Mendel se pueden ordenar en tres leyes: PRIMERA LEY DE MENDEL La primera ley de Mendel o ley de la uniformidad de los híbridos de la primera generación, dice que: cuando se realiza el cruzamiento entre dos individuos de la misma especie pertenecientes a 2 variedades o razas puras (homocigóticos) todos los híbridos de la generación filial son iguales. Esta uniformidad de todos los individuos puede manifestarse por parecerse a uno de los padres (herencia dominante), o bien, porque aparezca un fenotipo con aspecto intermedio (herencia intermedia). Herencia dominante: Carácter: color de pelo de las cobayas N= negro; n= blanco Cobayo negro cobayo blanco Parentales: NN nn Gametos: N n N>n F 1 : Nn heterocigóticos de color negro. Herencia intermedia: Carácter: color de la flor del Dondiego de noche. R= rojo; r: blanco R= r Dondiego rojo dondiego blanco Parentales: RR rr Gametos: F 1 : R r Rr heterocigóticos color rosa. Problema 1: Los ratones de campo pueden tener el pelo corto o largo. El pelo largo es dominante sobre el pelo corto. 148

3 Qué tipos de descendientes, tanto genotípica como fenotípicamente obtendremos de un cruzamiento de dos razas puras? SEGUNDA LEY DE MENDEL La segunda ley de Mendel o ley de la separación o disyunción de los genes que forman pareja de alelos en la primera generación, dice: que los genes que han formado pareja en los individuos F 1, se separan nuevamente al formarse las células reproductoras de éstos, lo que demuestra que dicho emparejamiento no es definitivo. Esto conduce a que en los individuos de la F 2 aparezcan parejas de alelos distintos de los de la F 1 y en consecuencia, dicha generación ya no es de genotipo uniforme. Herencia dominante: Carácter: color de pelo de las cobayas N= negro; n= blanco F 1 : cobayo negro cobayo negro Nn Nn Gametos: N N n n F 2 : NN, Nn, Nn, nn 75% negros; 25 % blancos Negros blancos Herencia intermedia: Carácter: color de la flor del Dondiego de noche. R= rojo; r: blanco F 1 : dondiego rosa dondiego rosa Rr Rr Gametos: R R r r F 2 : RR, Rr, Rr, rr 25%: rojos; 50%: rosas; 25%: blancos Rojo rosa blanco RETROCRUZAMIENTO O CRUZAMIENTO PRUEBA: Se realiza para descubrir el genotipo oculto de un organismo, es decir, si es el organismo homocigótico o heterócigótico, para ese carácter. Por ejemplo, tenemos los cabayas negros de la F 2, todos son negro, pero unos son homocigóticos y otros son heterocigóticos, ambos tienen el mismo fenotipo, pero distinto genotipo, cómo lo sabríamos?, pues cruzándolos con el homocigótico recesivo para ese carácter. NN nn Nn nn 149

4 N n N n n Nn negro Nn: negro nn: blanco Problema 2: Un cruce entre dos plantas de calabaza, ambas con frutos blancos, ha dado en la siguiente generación 38 plantas con calabazas blancas y 12 con calabazas amarillas. 1º cuáles son las cifras teóricas correspondientes a este resultado experimental? 2º cuál es el genotipo de los padres? Problema 3: El pelo rizado de los perros es dominante sobre el pelo liso. Una pareja de pelo rizado tuvo un cahorro de pelo rizado y otro de pelo liso. a) con qué tipo de hembra debería cruzarse el cachorro de pelo rizado para conocer su genotipo? Razona la respuesta. b) qué proporciones fenotípicas y genotípicas se obtienen en la descendencia del cruzamiento anterior? Problema 4: Cruzando dos moscas grises entre sí, se obtuvieron 158 moscas grises y 49 negras. Debes deducir el genotipo de los progenitores, razonando la respuesta. Problema 5: En los tomates la flor amarilla es dominante sobre la blanca. Al cruzar dos plantas heterocigóticas se obtienen 300 descendientes. Responde de manera razonada: 1. cuántos de ellos serán de fenotipo dominante? 2. Cómo se puede averiguar si uno de esos descendientes de fenotipo dominante es homocigótico o heterocigótico? 150

5 Problema 6: El color azul de los ojos en el hombre, se debe a un gen recesivo respecto a su alelo para el color pardo. Los padres de un varón de ojos azules tienen ambos los ojos pardos. Cuáles son sus genotipos? El hijo de ojos azules se casó con una mujer de ojos pardos. Esta mujer tenía un hermano de ojos azules. El matrimonio que nos ocupa tuvo un hijo de ojos pardos. Se piden los genotipos de los padres de la mujer, de los esposos y de su hijo. TERCERA LEY DE MENDEL Tercera ley de Mendel o ley de la independencia de los caracteres, que expresa el hecho de que cada uno de los caracteres hereditarios se transmite a la descendencia con absoluta independencia de los demás. En las leyes anteriores se ha estudiado la forma como se transmite un carácter, pero esta tercera ley se ocupa de averiguar el comportamiento en la herencia de dos caracteres que se presentan juntos en el mismo individuo, participando 2 pares de genes o alelos. A= amarillo; a= verde A>a L= liso; l= rugoso L>l P: amarillo liso verde rugoso AALL aall G: AL al F 1 : AaLl F 2 : AaLl AaLl G AL Al al al A L A l a L AALL AALl AaLL AaLl AALl AAll AaLl Aall AaLL AaLl aall aall al AaLl Aall aall aall Amarillo y liso: 9 Amarillo y rugoso: 3 Verde y liso: 3 Verde y rugoso: 1 Diheterozigóticos: 4 Dihomocigóticos: 4 Amarillos: 12 Verdes: 4 Lisos: 12 Rugosos: 4 EXCEPCIONES A LA TERCERA LEY: La transmisión de los caracteres no siempre se cumple, es decir, que muchos de ellos se transmiten juntos en la herencia. Esto se comprende fácilmente considerando que al estar localizados los genes en los cromosomas puede ocurrir que dos alelos que rigen sendos caracteres se hallen situados en la 151

6 misma pareja de cromosomas homólogos. Esto es muy fácil que ocurra, si se tiene en cuenta que las parejas de genes son bastante más numerosas que los pares de cromosomas homólogos, por lo que cada una de estas parejas forzosamente debe contener un gran número de alelos. EJEMPLOS DE HERENCIA MEMDELIANA EN EL HOMBRE. CARACTERES NORMALES Cabello oscuro DOMINANTE Cabello rubio RECESIVO Cabello liso Ojos castaños Ojos sesgados de chinos y japoneses Pestañas largas Labios gruesos CARACTERES PATOLÓGICOS DOMINANTE Miopía Hipermetropía Polidactilia Sindactilia Normal Normal Normal Normal Normal Cabello rizado Ojos azules Ojos no sesgados Pestañas cortas Labios finos RECESIVO Visión normal Visión normal Dedos normales Dedos normales Sordomudez Albinismo Epilepsia esencial Daltonismo Hemofilia Problema 7: La rata domestica es, normalmente, de pelaje marrón y bigote ralo. En el laboratorio se han obtenido dos líneas puras, una de color blanco y bigote ralo y otra de color marrón y bigote espeso. Al cruzar las dos líneas puras, la F 1, fue de fenotipo normal y en la F 2 aparecieron los siguientes individuos: 80 de pelaje marrón y bigote ralo, 9 de pelo blanco y bigote espeso, 27 de pelo blanco y bigote ralo y 25 de pelo marrón y bigote espeso. 152

7 Cuántos genes están implicados en la determinación de estos dos caracteres? Qué se puede deducir de las proporciones fenotípicas de la F 2? Si cruzamos una rata de la F 1 con otra de la F 2 de color blanco y bigote espeso. Cuál es la proporción en que se obtendrá un descendiente de pelo marrón y bigote espeso? Problema 8: El pelo corto de los conejos es codificado por un gen dominante L y el pelo largo por su alelo recesivo l. El pelo negro resulta de la acción del genotipo dominante B y el color café del recesivo b. 1º Qué proporciones genotípicas y fenotípicas se esperan entre la progenie de la cruza entre conejos dihíbridos de pelo corto y negros con conejos homocigoticos de pelo corto y café? 2º Determine las proporciones fenotípicas del cruzamiento: LlBb + Llbb. Problema 9: En el ganado Shorton, el color del pelaje está determinado por un par de alelos codominantes R y B. El genotipo homocigótico RR produce pelaje rojo, el otro homocigótico BB, produce pelaje blanco y el heterocigótico RB, produce ruano (mezcla de rojo y blanco). La presencia de cuernos es producida por un genotipo recesivo aa y la ausencia de cuernos por su alelo dominante A. Si las vacas ruanas heterocigóticas para el gen que produce los cuernos son apareadas con toros ruanos con cuernos. Qué proporciones fenotípicas puede esperarse en la descendencia? Problema 10: En el guisante, los caracteres tallo largo y flor roja dominan sobre tallo enano y flor blanca. Cuál será la proporción de plantas doble homocigóticas que cabe esperar en la F 2 obtenida a partir de un cruzamiento entre dos líneas puras, una de tallo largo y flor blanca con otra de talo largo y flor roja? 153

8 3. HERENCIA DEL SEXO Se entiende por sexualidad la facultad que tienen los organismos de poder intercambiar material genético; junto con las mutaciones, es la forma en que los organismos aumentan su variabilidad. En casi todos los organismos el intercambio genético está estrechamente relacionado con la reproducción sexual; aunque existen algunos, como protozoos y las bacterias que realizan directamente el intercambio genético célula a célula, mediante conjugación. DETERMINACIÓN DEL SEXO: El sexo es un carácter complejo, es decir, una expresión fenotípica de diferentes grupos de genes, que interrelacionan entre sí, y de estos con el medio ambiente. En la determinación del sexo influyen factores génicos y ambientales: Factores génicos: son el conjunto de genes responsables de la diferenciación sexual, dichos genes tienen la información necesaria para que se formen las gónadas, se desarrollen los tractos genitales y se segreguen las hormonas sexuales responsables de la aparición de los caracteres sexuales secundarios. Factores ambientales: incluyen el resto de genes, el ambiente citoplasmático y el medio externo en que se desarrolla el organismo. Estos factores sólo son capaces de determinar el sexo en aquellos casos en que los efectos de los genes masculinos y femeninos se equilibran. Determinación del sexo por cromosomas sexuales: En la mayor parte de los casos los genes masculinos y femeninos no se equilibran y esto hace que el sexo quede determinado genéticamente desde los primeros momentos de la existencia. En casi todos los organismos la determinación primaria del sexo está regulada por cromosomas especiales, llamados heterocromosomas o cromosomas sexuales. Los cromosomas sexuales reciben el nombre de heterocromosomas porque son diferentes morfológicamente y poseen un contenido génico distinto. El sexo homogamético es el que contiene un par de cromosomas XX y el heterogamético es el que presenta el par XY. En el hombre, los mamíferos, los equinodermos, los moluscos y gran cantidad de artrópodos, el sexo homogamético (XX) se corresponde con la hembra y el sexo heterogamético (XY) se corresponde con el macho. En todos estos casos después de la meiosis, los óvulos llevan siempre un cromosoma X y los espermatozoides llevan el 50% un cromosoma X y el otro 50% un cromosoma Y. De esta manera al formarse los zigotos durante la fecundación, el 50 % serán hembras y el otro 50% serán machos. En cambio en otros animales, como aves, anfibios, peces y mariposas, el sexo homogamético es el macho (ZZ) y el heterogamético es la hembra (ZW). Otras determinaciones del sexo: En las abejas, avispas y hormigas, la herencia del sexo depende de la dotación cromosómica, haploide o diploide, se denomina haplodiploidía. Una abeja reina (32 cromosomas) pone huevos que si no son fecundados darán lugar, por partenogénesis, a machos (zánganos) haploides y si son fecundados darán hembras estériles, obreras con un número diploide de cromosomas. Si una obrera es alimentada en su fase larvaria con jalea real se convertirá en una reina. Para otros animales, la temperatura a la que se desarrollen los huevos determinará que el animal sea macho o hembra, como es el caso de algunas especies de reptiles. 4. HERENCIA LIGADA AL SEXO En la especie humana los cromosomas X e Y son diferentes morfológicamente y tienen diferente contenido génico, el cromosoma Y tiene 5 genes y el X tiene 20: están compuestos por un pequeño segmento homólogo donde se localizan genes que regulan los mismos caracteres y otro segmento diferencial, que no existe homología entre el cromosoma X y el cromosoma Y. 154

9 Debido a ello la hembra podrá ser homocigótica o heterocigótica para los genes situados en el cromosoma X, mientras que el macho únicamente podrá ser hemicigótico, ya que tiene un solo gen para cada carácter ligado al cromosoma X, ya que en el cromosoma Y no hay prácticamente genes. CROMOSOMA X segmento homólogo Seg. no homólogo CROMOSOMA Y segmento holándrico Los genes localizados en el segmento no homólogo del cromosoma X, siguen una herencia ligada al sexo, quiere decir, con esto que serán transmitidos a los descendientes a través del cromosoma X, las hembras (si es un gen patológico) transmitirán la enfermedad, sin padecerla a los machos descendientes, ya que estos últimos sólo tendrán una copia de un gen, y será el que produce la enfermedad. En esta región entre otros se han encontrado los genes que determinan la hemofilia y el daltonismo. Cuando los genes se encuentran en la región homóloga, puede darse entre ellos recombinación, en este caso tanto los machos como las hembras pueden ser heterocigóticos y homocigóticos, se dice entonces que los genes siguen una herencia parcialmente ligada al sexo. En esta región homóloga sólo se ha localizado un gen: el antígeno de la superficie celular. Cuando los genes se encuentran en la región específica de los machos, sólo ellos tendrán esos genes y solo a los machos se les transmitirá, en este caso los genes que ahí se localizan siguen una herencia holándrica. En esta región se han localizado entre otros, el gen formador de los testículos. Por último, el sexo puede influir en la manifestación de genes situados en los autosomas. Normalmente esta manifestación se da en los heterocigóticos, como ocurre con el gen de la calvicie, los varones heterocigóticos para este gen son calvos y las hembras no son clavas, este tipo de herencia se denomina influenciada por el sexo. DALTONISMO Es una anomalía hereditaria recesiva que dificulta la distinción entre la gama de colores. Para que un varón sea daltónico basta con que reciba el gen de su madre a través del cromosoma X, mientras que la mujer necesita recibir dicho gen tanto del padre como de la madre, de ahí que sea más frecuente en el hombre. Las mujeres serán normales si son homocigóticas y heterocigóticas (portadoras), ya que no manifiestan enfermedad, o daltónicas si presentan homocigosis para el gen defectuoso y los hombres serán normales o padecerán la enfermedad. HEMOFILIA Es una anomalía hereditaria recesiva, con grandes efectos patológicos, ya que una herida con rotura de los vasos sanguíneos, la sangre fluye libremente sin coagular, ya que estas personas carecen de determinados factores que intervienen en el proceso de coagulación. Hemofilia A: 80% de los hemofílicos- tienen una menor producción del factor antihemofílico. Hemofilia B: 20% de los hemofílicos- menor producción del factor tromboplástico del plasma (F IX). Aunque actualmente la supervivencia de un hemofílico es alta, gracias al suministro por vía intravenosa del factor antihemofílico, hasta hace pocos años un varón hemofílico tenía una gran probabilidad de morir debido a su enfermedad, por lo que raramente transmitía el gen a sus hijos. Debido a ello la frecuencia del gen era baja y la probabilidad de que un varón hemofílico tuviera descendencia con una mujer portadora era prácticamente nula. Como esta unión es la única posibilidad de que existan mujeres 155

10 hemofílicas, la frecuencia de estas es casi nula, pero actualmente la probabilidad es cada vez mayor ya que los varones pueden reproducirse y transmitir también el gen. 5. LIGAMIENTO Y RECOMBINACIÓN Vimos en un punto anterior que cuando Mendel estudió la transmisión conjunta de dos genes consideró dos posibilidades: que se transmitieran juntos o que se transmitieran independientemente. Lo que encontró fue esto 2º, de donde dedujo la 3ª ley. Sin embargo, al estar localizados los genes en los cromosomas y al ser el número de estos relativamente pequeño, la posibilidad de que éstos se encuentren ligados, es decir situados en el mismo cromosoma, es elevada, vamos a ver que ocurre en estos casos: Vamos a estudiar la transmisión de dos genes de Drosophila que afectan a la coloración de los ojos y al tamaño del ala. Cu + - forma ala normal /Cu- forma mutante (curvada) Se + - ojo rojo/se- sepia Cruzamos: Parenatales: O SeSe CuCu + O Se + Se + Cu + Cu + Gametos: SeCu Se + Cu + F 1 : Se + Se Cu + Cu todos normales Si realizamos un cruzamiento prueba entre una hembra de la F 1 y un macho SeSeCuCu, cabría esperar de acuerdo con las leyes de Mendel, los siguientes resultados: que los genes fueran independientes, en cuyo caso la pareja Cu + Cu y Se + Se se transmitan como un dihibrido, en este caso la hembra daría cuatro tipos de gametos: Cu + Se + / Cu + Se/ CuSe + / CuSe, en igual proporción de cada uno de ellos; y como el macho solo genera un tipo de gametos: SeCu, la proporción de descendientes seria 25% de cada uno de los cuatro tipos. Que los genes estén ligados, en el mismo cromosoma, en cuyo caso las hembras generarían dos tipos de gametos: Cu + Se + / CuSe y como el macho solo genera un tipo de gametos CuSe, la proporción de descendientes seria 50% de cada uno de los dos tipos de descendientes. Pero lo que ocurre no es ni una cosa ni otra: en un 76% los gametos producidos por las hembras de la F 1 transmiten los genes tal como los han recibido de sus padres: Cu + Se + recibidos de la madre en un 38% de los casos y CuSe recibidos del padre en un 38 %. En el 24% de los casos que quedan, los gametos producidos por las hembras de la F 1 transmiten combinaciones nuevas de genes paternos y maternos. Por lo tanto los genes no se transmiten siempre juntos ni siempre ligados, sino que entre ellos se producen recombinaciones durante la meiosis de las que surgen combinaciones nuevas de genes, originándose cromosomas mixtos. Diremos que la frecuencia de recombinación entre dos genes es el número de recombinantes observados con respecto al total de individuos que se obtienen en la cruza. La frecuencia de aparición de gametos parentales y recombinantes, está condicionada por la probabilidad de que ocurra un sobrecruzamiento entre dos loci, que, a su vez, depende de la distancia entre los dos loci, a mayor distancia entre éstos, mayor probabilidad de que se produzca un sobrecruzamiento entre ellos, lo que se traduce en un aumento de las proporciones de gametos recombinantes. Por convenio se toma como unidad de distancia el centimorgan, definido como la distancia correspondiente al 1 por ciento de tasa de recombinación. 156