El ADN como portador de la informacion genética

Conceptos básicos de la herencia biológica:

Los genes son fragmentos del ADN que contienen información, los planos para la construcción de una proteína. Serían la unidad estructural (ellos forman la herencia, recombinan como los cromosomas), funcional (codifican a las proteínas) y de cambio (mutan) de la herencia.

Genes y cromosomas Los genes se comportan como los cromosomas durante la meiosis (se recombinan y agrupan al azar, segregan) luego están en ellos. Teoría cromosómica de la herencia.

Dado que hay más genes que cromosomas, estos deben estar situados en orden lineal. Cada gen tiene una posición fija respecto a los demás dentro del cromosoma, su lugar en el cromosoma, su locus. En los organismos superiores que poseen los cromosomas por parejas (2n) de igual aspecto y tamaño, cromosomas homólogos que poseen los mismos loci, colocados de igual modo y que afectan a los mismos caracteres pero no necesariamente del mismo modo. Así en los diploides nace el concepto de genes alelomorfos o alelos que son aquellos genes que ocupan el mismo locus, en una pareja de homólogos, afectan de distinto modo a los mismos caracteres y pueden mutar de uno a otro.

Carácter biológico serían todas y cada una de las características en las que puede ser dividido un ser vivo y que son el resultado de la acción,  de la manifestación de sus genes, o mejor de las proteínas que codifican (proteínas que pueden ser y actuar de muchas formas, tantas como manifiestan los caracteres biológicos, color o forma del pelo, estatura, peso, metabolismo…) Los caracteres biológicos cualitativos  son aquellos que solo presentan dos o tres formas distintas perfectamente distinguibles unas de otras (los caracteres que eligió Mendel, guisantes amarillos o verdes, lisos o rugosos, flores blancas, rojas o rosas) Estos caracteres biológicos cualitativos son causados por un gen con dos formas alélicas. Y los caracteres biológicos cuantitativos, la mayoría (estatura, peso, color de piel…) dependen de varios genes, cada uno con sus correspondientes formas alélicas y cuyos efectos se suman entre si para determinar el carácter.

El genotipo se aplica a  uno, a varios o al conjunto de los genes que posee un individuo. Cuando los alelos son iguales se dice homocigoto o raza pura y si son distintos se trata de un heterocigoto o híbrido.

El fenotipo es la manifestación externa de los genes, de las proteínas que codifican. Son los caracteres biológicos hereditarios, observables. Puede ocurrir que dos individuos con el mismo genotipo presenten fenotipos distintos (aumento de la estatura media de los españoles en las últimas décadas. La misma hortensia, cultivada en suelos ácidos, presenta flores azules y en suelos básicos presentan flores rosadas) esto es debido a variaciones ambientales. O viceversa que individuos con los mismos fenotipos posean genotipos distintos, lo que sería debido al tipo de interacción génica, alélica, de dominancia completa (A›a), cuando en el heterocigoto solo se expresa uno de los alelos, el dominante, mientras que el otro, recesivo, solo se expresa en homocigosis (daltonismo, albinismo, guisantes verdes, lisos ….) y la herencia intermedia o codominancia (A=a) en la que se expresan ambos alelos (flor del guisante, grupos sanguíneos ABO ….)

Fenotipo = Interacción génica + Ambiente.

Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia

Mendel, hijo de agricultores, eligió el convento como forma escapar  de su destino y gracias a ello estudió en la universidad de Viena física, matemáticas y ciencias naturales, después de lo cual fue nombrado superior del convento agustino de su ciudad, Brunn. Allí después de siete años de experiencias en el huerto, publicó en una revista las leyes según las cuales se transmitían los caracteres de generación en generación del Pisum sativum… Fueron muchos sus aciertos, empezando por la elección del organismo, el guisante de jardín, perfectamente conocido por él y por los agricultores.

El guisante le daba una generación anual (otros coetáneos que buscaban sus mismas leyes, utilizaban vacas, cerdos que necesitaban muchos años para obtener generaciones, lo que dificultaba los descubrimientos) y  presentaba una característica poco frecuente entre las plantas, sus flores son hermafroditas y cerradas y por tanto se autofecundan, con  lo que Mendel controlaba siempre su fecundación y además podía realizar también una fecundación cruzada artificial(cortando los estambres obtenía flores femeninas y los ovarios, flores masculinas que luego utilizaba para fecundar a las femeninas), estas fueron las dos técnicas que utilizó, la autofecundación y la fecundación cruzada .

Pero hubo más aciertos previos a la experimentación (¿suerte o acierto reflexivo?) Aunque la mayoría de los caracteres biológicos son cuantitativos, los siete que él utilizó para elaborar sus leyes eran cualitativos (los que presentan solo dos o tres formas distintas, los causados solo por un par de alelos, los mas sencillos de seguir  su comportamiento) Y en fin, consideró cada uno de los caracteres por separado (en lugar del aspecto global como hacían sus contemporáneos.

 Como conocedor de la agricultura pidió a los agricultores de los alrededores las dos (tres para el color de las flores) variedades puras para cada uno de los siete caracteres que había seleccionado. Cuando tuvo las variedades que debían ser puras pues el guisante se autofecunda. Comprobó durante dos años que efectivamente eran puras, dejándolos autofecundarse y dando lugar a una descendencia igualmente pura, fueron las razas puras  con las que iba a experimentar, a comprobar su hipótesis de que cada carácter biológico estaba determinado por dos factores hereditarios que eran iguales en las razas puras.

Partiendo de esta razas puras, siguió cada carácter, por separado, de generación en generación, independientemente de los demás. Contó veinte mil plantas de guisante (x número de guisantes por planta) obteniendo unos resultados sospechosamente idénticos para los siete caracteres desde el punto de vista estadístico,

Rememorando estadística: La probabilidad (entre 0 y 1) de un suceso es el cociente entre los casos favorables y los casos posibles (cara o cruz de una moneda). La probabilidad conjunta de varios sucesos depende de que los sucesos sean excluyentes, se influyen mutuamente (probabilidad de sacar un rey en una baraja en cuatro extracciones sin devolución, es la probabilidad de sacar uno en la primera extracción o sacarlo en la segunda o …… , es la intersección de los sucesos y la probabilidad conjunta es la suma de las probabilidades de cada uno de ellos. 1/40 + 1/40 + 1/40 + 1/40 = 1/10 ) o no excluyentes (sacar dos caras en el lanzamiento de una moneda dos veces o sacar un rey en cuatro extracciones, sin devolución en dos barajas, su probabilidad conjunta es la unión de los sucesos y su probabilidad conjunta es el producto de las probabilidades de cada suceso. P cara en dos lanzamientos = cara en el primero y cara en el segundo =  ½ x ½ = ¼. La probabilidad de sacar un rey en cuatro extracciones en dos barajas = sacar rey en una baraja y sacar rey en la segunda = 1/10 x 1/10 = 1/100. Probabilidad de sacar cara y cruz en dos lanzamientos de una moneda = ½ y ½ o ½ y ½ = ½ x ½ + ½ x ½ = ¼ + ¼ = 1/2)

1.- Uniformidad de la primera generación: cuando hacía fecundación cruzada entre dos razas puras para el mismo carácter la descendencia era uniforme (suponía, según su hipótesis, un carácter dos factores hereditarios, que los factores iguales estaban separados en los padres y aparecían juntos en la F1, primera generación filial, que sería uniforme genotípica y fenotípicamente.

 P1    L x R   =   F1    L

2.-   Ley de la segregación de los caracteres: ¿se diluía un carácter en el otro como pensaban sus contemporáneos, el rugoso en el liso, el amarillo en el verde, las plantas enanas en las altas …?  Eso dependería de que los individuos de la F1 fueran puros (se diluye, desaparece) o híbridos (en cuyo caso los dos permanecen pero uno domina completamente al otro) Para comprobarlo dejo que estos individuos se autofecundasen, si eran puros, la descendencia será como los padres (así había comprobado si las razas puras iniciales lo eran realmente) en otro caso no.

                        F1    L  x  L   =   F2     3  L  : R

El resultado indicaba que los individuos de la F1  eran híbridos pero realizó una comprobación adicional, hizo una fecundación cruzada entre los individuos de la F2  y el parental recesivo para comprobar si eran puros o híbridos (Retrocruzamiento o cruzamiento de prueba)

            P1   R  x  F2   R  =  R      P1    R   x    F2   2  L  =    L  :  R         P1  R  x   F2  L  =  L

El Rugoso y uno de los lisos eran puros y  los dos lisos restantes eran híbridos. Los factores hereditarios estaban separados en los padres (puros), juntos en la primera generación filial (híbridos) y volvían a estar juntos y separados en la segunda generación filial …… los factores hereditarios, los genes formaban todas las combinaciones posibles, segregaban de una generación a otra. “Los factores hereditarios son partículas cuya presencia se puede seguir de generación en generación sin cambiar ni diluirse”

3.- Transmisión independiente de los caracteres  Había descubierto como se transmitía un carácter hereditario debido a dos factores, ¿sería igual para dos caracteres y cuatro factores, se comportarían igual juntos que por separado, habría una transmisión independiente uno de otro? Repitió el proceso anterior para dos caracteres:

P1  AL  x  VR  =  F1  AL     F1   AL  x   F1   AL  =  F2  9 AL   :  3  AR  :  3 VL   :   1 VR

Un poco más complejo por ser más casos pero por separado vuelven a repetir la proporción 3  :  1 . Los genes se transmiten igual juntos que separados, transmisión independiente.

Considerar que estas proporciones son fenotípicas, las que usaba Mendel y que todos estos cruces se ven perfectamente claros utilizando la terminología actual como veremos en clase

Grupos sanguíneos MN presencia en los glóbulos rojos de los antígenos  M, N o ambos  son codominantes

                  M  =  N    MM  x  NN  =  MN   MN  x  NN  = MN  :  NN  ……

 Grupos sanguíneos ABO presencia en los glóbulos rojos de los antígenos  A, B, AB o ninguno y los anticuerpos correspondientes antiB, anti A, ninguno y ambos. Son tres alelos con la relación  A  =  B  ›  O

AO  x  BO  = AB : AO : BO : OO // OO  x  AB  = AO : BO //AB  x  AO  =  AA : AO : BA : BO

   Grupo sanguíneo Rh  presencia en los glóbulos rojos del antígeno Rh + o no, en cuyo caso presentaría anticuerpo anti Rh + Son dos alelos con dominancia completa  R  ›  r

            RR  x  rr  =  Rr       //        Rr  x  rr  =  Rr : rr     //      rr  x  rr  =  rr

Teoría cromosómica de la herencia

                 La teoría cromosómica de la herencia afirma, como hemos visto que si hay más genes que cromosomas estos deben estar situados linealmente a lo largo del cromosoma en cuyo caso deben estar ligados (se transmiten juntos, no forman todas las combinaciones posibles, solo habría tipos parentales) todos los genes que se  encuentren juntos en el  mismo cromosoma (ligamento completo) y no transmitirse independientemente como postulaba Mendel (otro acierto de Mendel, ¿suerte o previsión?, todos los caracteres que eligió para hacer sus cruces, para descubrir sus leyes se encontraban en cromosomas distintos, de ahí la independencia que exhibían)

                 Esta contradicción ya había sido puesta en entredicho por otros genetistas que habían encontrado excepciones a las proporciones de Mendel en dihíbridos (9 : 3 : 3 : 1) lo que ponía en duda la transmisión independiente. La solución la encontró Morgan  en la mosca del vinagre, utilizando dos genes ligados al sexo (se encuentran juntos en los cromosomas sexuales), repitió los cruces de Mendel para dos caracteres y  comprobó que el ligamiento no era completo (solo tipos parentales) ni eran independientes (9 :3 :3 :1) y que los resultados estaban entre ambos, obtuvo un 63% de tipos parentales y un 37 % de tipos no parentales (recombinantes), en lugar del 40 y 60 % respectivamente que correspondería con la independencia completa. Los resultados se encuentran entre ambos extremos.

                  ¿Qué puede romper el ligamiento completo? La explicación de esto y de la segregación de Mendel se encuentran en el proceso de la meiosis y en la teoría cromosómica, los genes están en los cromosomas y se comportan como estos durante la meiosis, segregan, forman todas las combinaciones posibles (2 ley de Mendel, de la segregación de los caracteres, literalmente cuando se encuentran en cromosomas distintos) y recombinan (única forma de romper el ligamiento cuando se encuentran en el mismo cromosoma).

                 Cuando dos genes están muy cercanos en el mismo cromosoma se transmiten juntos, ligamiento completo pero cuando están suficientemente separados, aunque siguen ligados (son más frecuentes los tipos parentales) la recombinación puede romper, en parte, ese ligamiento  (los tipos recombinantes son menos frecuentes)

                 1.- Determinación del sexo

           La mayoría de las especies determinan el sexo en función de la presencia de cromosomas sexuales ( también conocidos como heterocromosomas por ser los únicos no homólogos, son diferentes) en contraposición a los restantes cromosomas que se llaman autosomas ( y son homólogos)

                 Hay dos tipos de determinación cromosómica del sexo, el tipo XO/XX en el que un sexo tiene un cromosoma menos y el tipo XX/XY, el nuestro.

                 XX  x XO  = XX  : XO            XX  x  XY  =  XX : XY

                 Los cromosomas sexuales no son los únicos determinantes del desarrollo sexual ya que como otros caracteres de desarrollo complejo están influidos por el ambiente y por otros genes autosómicos (en la mosca del vinagre un gen autosómico recesivo en homocigosis hace machos morfológicos y estériles a hembras cromosómicas)

                 Existen otras formas no cromosómicas de determinación del sexo, en abejas y avispas los machos son haploides y las hembras diploides. En ciertos insectos es un gen con dos alelos, siendo las hembras homocigóticas y los machos heterocigóticos. O los cocodrilos que determinan el sexo por la temperatura del agua (a más de 27 C nacen machos) ….