Apuntes del tema - El profe de Naturales
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Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares UNIDAD 13: LA GENÉTICA MENDELIANA 1. Conceptos básicos de herencia biológica 1.1. Genotipo y fenotipo 2. Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia 2.1. Leyes de Mendel 2.2. Cruzamiento prueba y retrocruzamiento 2.3. Excepciones a las leyes de Mendel 3. Teoría cromosómica de la herencia 3.1. Los genes y los cromosomas 3.2. Relación del proceso meiótico con las leyes de Mendel 3.3. Determinación del sexo 3.4. Herencia ligada al sexo 4. Genética humana Conceptos básicos: genoma, genotipo, fenotipo, cariotipo, gen, alelo, locus, homocigotico, heterocigótico, herencia dominante, recesiva, intermedia (dominancia parcial o incompleta), codominancia, ligamiento. 1. Conceptos básicos de herencia biológica En la actualidad, los conocimientos sobre genética han llevado al uso de una terminología muy específica. A continuación se definen algunos de los conceptos básicos imprescindibles para abordar el estudio de este campo de la ciencia. • Alelos o alelomorfos. Son las diferentes variedades 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. • Carácter. Es cada uno de los rasgos morfológicos o fisiológicos o moleculares de un individuo. Ej. color del pelo, color de ojos etc. Pueden ser: o o 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. 1 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Cuando los genes que los determinan se localizan en los autosomas se denominan caracteres autosómicos. Si están en los heterocromosomas se llaman caracteres ligados al sexo. • Cariotipo. Es la dotación cromosómica (conjunto de cromosomas) característica de una especie. El cariotipo humano es diploide y consta de 22 pares de autosomas o cromosomas homólogos y un par de cromosomas sexuales o heterocromosomas, que son dos cromosomas X en la hembra (XX) y uno X y otro Y en los machos (XY). • 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 haploides solo por uno. • 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 genes para cada carácter, que pueden llevar la misma o distinta información. Se representan como “2n”, siendo n el número de cromosomas distintos. • Fenotipo. Es el conjunto de caracteres que se observan en un individuo. Color del pelo, etc. Es la manifestación externa del genotipo. El fenotipo depende del genotipo y del ambiente en el que está (los otros genes, el citoplasma, el medio externo, etc. • Genes. 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. Hoy se sabe que son fragmentos de ADN (excepto en algunos virus en los que son fragmentos de ARN), que contiene la información necesaria para un carácter, ya que llevan la información precisa para la síntesis de una proteína que será la responsable de la aparición de dicho carácter. Se sitúan linealmente a lo largo del cromosoma. Los genes se suelen representar con una letra. • Genética. Es la ciencia que estudia la herencia biológica, es decir, la transmisión de los caracteres morfológicos y fisiológicos de un ser vivo a sus descendientes. • 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. • Genética molecular. Estudia las moléculas que contienen la información biológica y los procesos bioquímicos de su transmisión y manifestación. • Genoma. Es todo el material genético que posee un individuo. Aunque los individuos eucariotas poseen material genético tanto en el núcleo celular como en orgánulos como la mitocondria y otros también en los cloroplastos, el término hace referencia normalmente al de origen nuclear. Los organismos con reproducción sexual obtienen la mitad del genoma de un progenitor (padre) y la otra mitad del otro progenitor (madre). Sin embargo, el genoma mitocondrial sólo procede de un progenitor (madre). • Genotipo. Es el conjunto de genes que posee un individuo. • Haploide. Individuo en el que los cromosomas de sus células son todos diferentes. Estos seres sólo poseen un gen para cada carácter. El número total de cromosomas distintos por célula constituye un juego de cromosomas y se representa como “n”. • Homocigótico o raza pura. Un individuo es homocigótico o raza pura para un carácter, cuando los dos alelos que determinan dicho carácter son iguales. Pudiendo ser homocigótico dominante o recesivo según que los dos alelos sean dominantes o recesivos. Se representan por dos letras iguales mayúsculas o minúsculas según que sea dominante o recesivo AA o aa. 2 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares • Heterocigótico o híbrido. Un individuo es heterocigótico o híbrido para un carácter cuando los dos alelos que determinan dicho carácter son diferentes. Se suelen representar por dos letras iguales una mayúscula y otra minúscula Aa. Si el individuo es híbrido para dos caracteres se denomina dihíbrido, si es para muchos polihíbrido. • Herencia dominante. Un carácter presenta herencia de tipo dominante cuando está determinado por dos alelos y uno de ellos domina sobre el otro, es decir, uno tiene mayor fuerza de expresión (alelo dominante) que el otro. El alelo recesivo sólo se manifiesta cuando está en homocigosis. • Herencia intermedia. Un carácter presenta herencia intermedia cuando está 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. • Locus (en plural loci). Es el lugar que ocupa un gen en el cromosoma. Cada cromosoma posee muchos loci. 1.1. Genotipo y fenotipo Los distintos caracteres de un individuo aparecen por distintas causas, algunos de ellos son sólo consecuencias de modificaciones sufridas durante la vida del individuo, no estando determinados genéticamente. Sin embargo, en este tema nos interesan los denominados caracteres génicos o heredables. Si el carácter es propio de una especie se denomina carácter específico, como por ejemplo la cornamenta del ciervo, y si es propio de un determinado individuo se llama carácter individual. Genotipo El genotipo de un individuo es el conjunto de genes que contiene. En los seres diploides, la mitad de los genes, uno de cada par de alelos, se heredan de uno de los progenitores (padre) y la otra mitad del otro progenitor (madre). Los alelos son las distintas alternativas que puede presentar un gen determinado, es decir, cada una de las versiones diferentes de un mismo gen. Los seres haploides solamente poseen un cromosoma de cada clase, sólo poseen un gen en cada locus y, por tanto, cada individuo tiene solamente un alelo. Cuando estudiamos el genotipo de un individuo para un determinado par de alelos observamos que pueden darse dos situaciones: 1. Que ambos alelos sean iguales. Se dice entonces que un individuo es homocigótico para ese carácter (individuo raza pura para ese carácter). Eso significa que los dos gametos a partir de los que se ha formado el cigoto transportaban el mismo alelo. 2. Que ambos alelos sean distintos. Se denomina entonces individuo heterocigótico para ese carácter (individuo híbrido para ese carácter). Fenotipo El fenotipo es el conjunto de caracteres observables de un individuo. Es el resultado de la expresión del genotipo modificada por la influencia ambiental. FENOTIPO = GENOTIPO + AMBIENTE El genotipo, si no se producen mutaciones (como veremos más adelante), permanece invariable, sin embargo, el fenotipo puede sufrir modificaciones en función de las condiciones ambientales. Por ejemplo, si tomamos mucho el sol, nos ponemos morenos, modificamos nuestro fenotipo pero no el genotipo. Además, no afecta por igual a todas las células de la piel, ya que pueden recibir diferentes radiaciones debido a la ropa, por ejemplo. 3 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares 2. Aportaciones de Mendel al estudio de la herencia Gregor Johann Mendel (1822-1884), monje que vivió en el imperio austriaco, llevó a cabo unos experimentos que constituyen el fundamento de la actual teoría de la herencia. En su monasterio de Brno (actual República Checa), cultivó y estudió entre 1856 y 1863, al menos 28.000 plantas, analizando con detalle diversos caracteres, tanto de las semillas, como de las plantas. Sus exhaustivos experimentos dieron como resultado el enunciado de unos principios que, más tarde, serían conocidos como Leyes de la Herencia. Sus observaciones le permitieron acuñar dos términos que siguen empleándose en la genética de nuestros días: DOMINANTE y RECESIVO. 2.1. Las leyes de Mendel Mendel realizó una serie de experimentos sencillos consistentes en cruzar entre sí diferentes variedades de plantas y estudiar la descendencia que obtenía. Entre sus experimentos, los más conocidos son los realizados con plantas de guisante (Pisum sativum). La elección de esta planta de debe a las siguientes razones: • Se conseguía fácilmente en el comercio, su cultivo es sencillo y crece rápidamente. • Posee caracteres bien definidos que habían sido seleccionadas como variedades por los cultivadores. • Su polinización se puede controlar fácilmente, debido a que los órganos reproductores de la flor (androceo y gineceo) permanecen cubiertos por los pétalos incluso cuando están maduros, por lo que se autofecundan fácilmente. La autofecundación era una de las técnicas fundamentales de Mendel, que permitía la obtención de líneas puras. Para obtener una fecundación cruzada, no tenía nada más que recoger el polen de una planta y transferirlo a otra flor a la que le retiraba los estambres previamente. Mendel eligió siete caracteres unitarios distintos, cada uno representando dos aspectos alternativos claramente diferenciables: Tabla 1. Caracteres observables seleccionados por Mendel. Primera ley de Mendel: Ley de la Uniformidad de la Primera generación filial (F1) Si se cruzan dos variedades o razas puras para un carácter (homocigóticos), todos los híbridos de1a generación filial (descendientes) son iguales para ese carácter (herencia monohíbrida). Experimentos: 1. Obtuvo líneas puras por autofecundación (por ejemplo de guisantes amarillos AA y otra de guisantes verdes aa). 2. Cruzó dos líneas puras con fenotipo diferente para ese carácter: fecundó flores de una variedad con el polen de la otra. 3. Observó que todos los descendientes eran iguales, para el carácter estudiado. En algunos casos eran fenotípicamente iguales a uno de los progenitores (herencia dominante), y en otros casos el carácter era intermedio entre los dos estudiados (herencia intermedia). 4 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Figura 2. Primera ley de Mendel. Ley de la uniformidad de la primera generación Segunda ley de Mendel: Ley de la segregación de los caracteres Los dos factores hereditarios de un mismo carácter (genes alelos) se comportan como unidades independientes (no se mezclan), segregándose (o separándose) en el momento de la formación de los gametos (herencia monohíbrida). Experimentos: 1. Para llegar a esta conclusión, una vez obtenida la primera generación filial (F1), Mendel plantó los híbridos y dejó que se autofecundaran de forma natural, para obtener la F2. 2. Observó, en primer lugar, que la descendencia no era uniforme, y que la variante del carácter que no aparecía en la primera generación (el recesivo parental), reaparecía en la segunda. 3. En segundo lugar, los valores experimentales se podían reducir a una relación numérica sencilla, a una proporción fija: un individuo recesivo (25%), que correspondía al homocigótico recesivo, por cada 3 (75%) que presentaban el carácter dominante (el homocigótico dominante y los dos heterocigóticos). 4. En caso de herencia intermedia, existen tres fenotipos distintos, siendo la proporción de 1:2:1 (Los 1 corresponden a las formas homocigóticas y el 2 a las heterocigóticas). Figura 3. Segunda ley de Mendel. Ley de la segregación de los caracteres. 5 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Tercera ley de Mendel: Ley de la transmisión independiente de los caracteres Si se consideran dos caracteres simultáneamente (herencia dihíbrida), los genes que determinan un carácter se heredan independientemente de los que determinan el otro. Experimentos 1. Estudio lo que sucedía para dos caracteres, la forma y el color. Las líneas puras serán, en este caso, una planta con guisantes amarillos y lisos (AA LL) y una con guisantes verdes y rugosos (aa ll). 2. Sabiendo que el color amarillo está determinado por un gen dominante (A) respecto de su alelo recesivo para el color verde (a), y que la textura lisa está determinada por un gen dominante (L) respecto de su alelo recesivo para la textura rugosa (l), según la 1a ley, todos los dihíbridos (híbridos o heterocigóticos para los dos caracteres) de la F1 serán amarillos y lisos (Aa Ll). 3. La F2 presentará diversos fenotipos posibles con proporciones determinadas: 9 amarillo, liso (A..... B .....), 3 amarillo, rugoso (A...... bb), 3 verde, liso (aa B.......), 1 verde, rugoso (aa bb). Figura 4. Tercera ley de Mendel. Ley de la independencia de los caracteres. 2.2. Cruzamiento prueba y retrocruzamiento Una manera de contrastar la hipótesis de la segregación (es decir, comprobar que se trata de individuos heteocigóticos) es llevar a cabo un cruzamiento de los individuos de la F1 con homocigotos recesivos, un tipo de cruzamiento extremadamente útil denominado cruzamiento prueba. Por otro lado, un retrocruzamiento consiste en cruzar un individuo descendiente (F1) con uno con genotipo idéntico al parental. Así, un cruzamiento prueba puede ser a menudo un retrocruzamiento si los progenitores con homocigotos recesivos. Figura 5. Cruzamiento prueba. (A) Si al cruzar la F1 con un homocigótico recesivo todos los descendientes tienen el mismo fenotipo que la F1, ésta posee un genotipo homocigoto dominante. (B) Sin embargo, si entre los descendientes aparece algún fenotipo recesivo, el genotipo de la F1 es heterocigoto. 6 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares 2.3. Excepciones a las leyes de Mendel A pesar de los resultados de Mendel, la herencia no es tan sencilla. A continuación se detallan, algunos ejemplos de herencia en animales y plantas que constituyen, a su vez, excepciones a las leyes de Mendel. Muchos de estos casos se explican por la teoría cromosómica de la herencia que veremos posteriormente. La dominancia no es universal Si la dominancia fuese universal, el heterocigoto presentaría siempre el mismo fenotipo que el homocigoto dominante y observaríamos siempre la proporción 3:1 al cruzar dos heterocigotos. Por el contrario, si el heterocigoto fuese claramente distinto de ambos homocigotos, observaríamos una proporción fenotípica 1:2:1 cuando se cruzan heterocigotos. Hablamos entonces de dominancia parcial (dominancia incompleta) o de codominancia. • Dominancia parcial. Se caracteriza por que los heterocigotos muestran un carácter intermedio entre los del homocigoto dominante y el homocigoto recesivo. Por ejemplo, en el color de la flor de la planta de dondiego de noche (Mirabilis jalapa) los homocigotos son de color rojo (AA) o de color rosa (aa), mientras que los heterocigotos (Aa) son de color rosa (color intermedio entre blanco y rojo). Figura 6. Herencia intermedia en la planta dondiego de noche. Al cruzar dos homocigotos, flores rojas con flores blancas, se obtiene una generación filial rosa (100%). Al autofecundar estas plantas, Obtenemos una segunda generación filial con fenotipos rojo (25%), rosa (50%) y blanco (25%), es decir, proporción 1:2:1. • Codominancia. Se caracteriza por que los heterocigotos no muestra un carácter intermedio entre los dos homocigotos sino que en realidad expresa simultáneamente ambos fenotipos. Por ejemplo, las personas del grupo sanguíneo AB son heterocigotos que expresan simultáneamente los alelos A y B (ver alelismo múltiple). Alelismo múltiple Un determinado gen puede tener más de dos alelos. Aunque cada individuo puede tener sólo dos copias de cada gen, en una población pueden coexistir varios alelos de un determinado gen. Un ejemplo clásico de alelismo múltiple en el hombre es el sistema de grupos sanguíneos ABO, descubierto por Landsteiner en 1900. De todos los sistemas de antígenos eritrocitarios, éste es el más conocido debido a su importancia en las transfusiones sanguíneas. Existen cuatro fenotipos producidos por tres alelos (ver figura 7 y tabla 2). Los alelos A y B son responsables de la producción de los antígenos A y B, que se encuentran en la superficie de los glóbulos rojos o eritrocitos. (Como veremos en Inmunología, los antígenos son sustancias normalmente extrañas al organismo que inducen una respuesta inmunitaria). Figura 7. Grupos sanguíneos. SistemaABO. 7 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Fenotipo Anticuerpos en suero Genotipo Reacción Anti-A Reacción Anti-B O Anti-A y Anti-B OO - - A Anti-B AA, AO + - B Anti-A BB, BO - + AB Ninguno AB + + Tabla 2. Grupos sanguíneos ABO con sus correspondientes reacciones inmunitarias. Se conocen muchos otros genes con alelos múltiples. En algunas plantas, como el trébol rojo, hay genes que evitan la autofecundación que poseen centenares de alelos. En Drosophila se conocen numerosos alelos del gen white (que afecta al color de los ojos) y en el hombre hay numerosos alelos de la hemoglobina. En realidad, el alelismo múltiple es la regla más que la excepción. Alelos letales Los alelos letales son aquellos que en homocigosis son incompatibles para la vida, originando la muerte del organismo. Estos genes no siguen un patrón de herencia normal, pero producen una alteración en las proporciones fenotípicas mendelianas. Por ejemplo, en la enfermedad de Tay-Sachs, los niños homocigóticos recesivos mueren generalmente antes de los tres años de edad, después de padecer una grave degeneración nerviosa. La enfermedad de Tay-Sachs es causada por un gen defectuoso en el cromosoma 15. El alelo que codifica dicha enfermedad tiene carácter recesivo, y por tanto cuando ambos padres portan el gen defectuoso para esta enfermedad, el hijo tiene un 25% de probabilidades de desarrollarla ya que el niño tiene que recibir dos copias del gen defectuoso, una de cada uno de los padres, para resultar enfermo Figura 8. Ejemplo de cruzamiento entre heterocigotos en los que el homocigoto recesivo es inviable. Se altera la proporción mendeliana 3:1 por una proporción 3:0. 8 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Interacciones genotípicas A menudo, varios genes no alelos contribuyen al mismo fenotipo. 1) Por ejemplo, dos genes influyen un determinado carácter pero ninguno de ellos suprime la expresión del otro. La cresta de la gallina es un ejemplo clásico. Si se cruza una gallina de cresta en roseta con un gallo de cresta en guisante o chícharo (y viceversa), todos los descendientes de la F1 tienen cresta en nuez. Si se cruzan los machos y las hembras heterocigotos de la F1, se obtienen en la F2 aves con cresta de nuez, en roseta, en guisante y con cresta sencilla en proporción 9:3:3:1. Esta proporción indica que se trata de un cruce de dihíbridos, en los que ambos genes poseen alelos que controlan caracteres con dominancia completa. Figura 9. Tipos de crestas de las gallinas. La cresta chícharo es conocida como sencilla. Por tanto, al cruzar individuos dihíbridos, aparece una proporción 9:3:3:1, la misma proporción que aparece en la tercera ley de Mendel para dos caracteres del guisante, la forma y el color. 2) En otras ocasiones, las interacciones ocurren entre dos pares de genes distintos, dónde uno inhibe o permite la expresión de otro gen. Al gen que inhibe, se lo llama epistático y al que es inhibido se lo denomina hipostático. Así, en el maíz existen varias variedades diferentes que producen granos blancos en las mazorcas. En ocasiones, al cruzar dos variedades blancas se obtiene una generación F1 con todos los granos de color púrpura. Si estas plantas se autofecundan (F1xF1) la F2 tiene granos blancos y púrpuras en proporción 9:7. 9 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares En este caso del maíz, el genotipo aa produce granos blancos independientemente de los alelos presentes en el gen B. Análogamente, el genotipo bb enmascara cualquiera de los alelos presentes del gen A. Estas interacciones epistáticas, modifican la proporción 9:3:3:1 esperada para un dihíbrido. 3. Teoría cromosómica de la herencia 3.1. Los genes y los cromosomas En la época en la que Mendel realizó sus investigaciones no se conocían los genes ni el papel de la meiosis en la herencia de los caracteres. En 1902, W.S. Sutton en Estados Unidos y T. Boveri en Alemania, propusieron la hipótesis de que los factores hereditarios de Mendel se localizaban en los cromosomas, ya que creían que la separación de los cromosomas durante la meiosis era la base para explicar las leyes de Mendel. En 1909, William Bateson introdujo el término “genética” para designar la ciencia que estudia los caracteres biológicos. Asimismo, Wilhelm Johannsen propuso el término “gen o gene” como sustitutivo del concepto factor hereditario de Mendel. Así, un gen es un factor que determina una característica biológica. En 1911, T.H. Morgan y sus colaboradores de la Universidad de Columbia de Nueva York, después de realizar numerosos experimentos con la mosca de la fruta o del vinagre (Drosophila melanogaster) concluyó que muchos caracteres se heredan juntos debido a que los genes que los codifican se encuentran juntos en un mismo cromosoma, es decir, se hallan ligados. Nace así la teoría cromosómica de la herencia, la cual ha tenido aportaciones posteriores. Hoy día puede resumirse en los siguientes postulados: 1. Los factores (genes) que determinan los factores hereditarios del fenotipo se localizan en los cromosomas. 2. Cada gen ocupa un lugar específico o locus (en plural es loci) dentro de un cromosoma concreto. 10 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares 3. Los genes (o sus loci) se encuentran dispuestos linealmente a lo largo de cada cromosoma, la distancia entre genes se mide en centimorgan (cM). 4. Los genes alelos (o factores antagónicos) se encuentran en el mismo locus de la pareja de cromosomas homólogos, por lo que en los organismos diploides cada carácter está regido por una par de genes alelos. Figura 10. Cromosoma 2 de la mosca Drosophila melanogaster , en la que se muestra la localización de seis parejas de genes alelos. 3.2. Relación del proceso meiótico con las leyes de Mendel Al contrario de lo que afirmaba la ley de la segregación independiente de Mendel, los genes no pueden ser heredados de forma independiente uno de otro, sino que debe registrarse una asociación o ligamiento (linkage) entre genes o grupos de genes. Son los denominados genes ligados. Ligamiento y recombinación El ligamiento es la tendencia que tienen los genes de un mismo cromosoma a heredarse juntos. Morgan y su grupo observaron también que este ligamiento rara vez es completo, y describieron que: La asociación entre varios genes en un mismo cromosoma no es total; por el contrario, durante la división meiótica (que conduce a la producción de gametos), los cromosomas homólogos pueden intercambiarse partes de material genético. Un fenómeno conocido como entrecruzamiento o sobrecruzamiento o crossing-over. El lugar por donde tiene lugar el intercambio se denomina quiasma. Puesto que los segmentos intercambiados pueden contener alelos diferentes, es decir, formas diversas del mismo gen, de esta manera se pueden formar cromosomas recombinantes. Dado que cuanto más alejado está un gen de otro más fácil resulta que durante la meiosis sean separados mediante un crossing-over, el porcentaje de cromosomas recombinantes observado en la progenie total se puede usar como medida de la distancia relativa entre los genes que comparten el par considerado. Se denomina centimorgan (cM) a la unidad de medida genética entre dos loci (si la frecuencia de recombinación es del 1% se encuentran a 1cM de distancia). 11 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Figura 11. Mecanismo de la recombinación genética durante la meiosis. 3.3. Determinación del sexo Se consideran organismos con sexo a aquellos capaces de producir células sexuales (gametos), que originan un nuevo individuo cuando se unen dos de diferente tipo. Los individuos que generan gametos móviles (espermatozoides y anterozoides) son machos, y los que generan gametos sésiles (óvulos y oosferas) son hembras. Los que producen gametos de los dos tipos son hermafroditas. En la determinación del sexo en muchas especies están implicados mecanismos diferentes que podemos englobar en los siguientes: Determinación génica Existen genes determinantes del sexo, uno o varios, que pueden o no localizarse en un cromosoma sexual. Estos genes corresponden a una serie alélica en donde masculino (m) es dominante frente a hermafroditismo (h), y hermafroditismo dominante frente a femenino (f). Este sistema es muy habitual en plantas. Así, los individuos machos serán los que presenten genotipos mm, mh y mf; hermafroditas los de genotipo hh y hf y únicamente los genotipos ff serán de hembras. Determinación por haplodiploidía o cariotípica Característico de insectos sociales como hormigas, abejas o termitas, la determinación sexual por este sistema no depende de la presencia de cromosomas sexuales, pero en ella los machos y las hembras tienen diferente constitución cromosómica (distinto cariotipo). Por lo general, las hembras son diploides, generadas por fecundación; y los machos haploides, generados por partenogénesis y mitosis. La partenogénesis es una forma de reproducción basada en el desarrollo de células sexuales no fecundadas. • Por ejemplo, en las abejas, la reina puede poner dos tipos de huevos: unos procedentes de óvulos fecundados (diploides) y otros de óvulos sin fecundar (haploides). De los huevos diploides se originan larvas que dan lugar a hembras estériles (obreras) o fértiles (reinas), según sean alimentadas con miel o jalea real. De los huevos haploides se originan los machos (zánganos) por partenogénesis. 12 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Determinación cromosómica Mediada por cromosomas sexuales, pudiendo diferenciar entre la presencia de heterocromosomas o por el contrario, de un solo cromosoma sexual. • Sistema XY: Es el sistema de determinación en humanos y mayoría de mamíferos, así como equinodermos, moluscos y algunos artrópodos. El cromosoma Y es el determinante de masculinidad. Las hembras son el sexo homogamético y por tanto tienen dos cromosomas sexuales homólogos (XX), mientras que los machos son el sexo heterogamético y tienen dos cromosomas distintos (XY). El cromosoma Y es el determinante de masculinidad gracias a la presencia en él de una serie de genes que determinan el desarrollo gonadal. • Sistema ZW: Existen dos cromosomas sexuales, W y Z. En este caso, los individuos heterogaméticos, ZW, son las hembras, y los homogaméticos los machos, ZZ. Este sistema es el habitual en aves, mariposas, algunos anfibios y reptiles y, dada su enorme variedad de mecanismos de determinación, también en algunos peces. • Sistema XO: Existe un solo cromosoma sexual. El individuo XX es de un sexo, generalmente hembra, y el XO del otro, macho (O indica ausencia de Y). A consecuencia de ello, las hembras tienen número par de cromosomas, y los machos número impar. Las hembras producirán siempre gametos con un cromosoma X, mientras que los machos podrán producirlos con un cromosoma X, o sólo con autosomas. Los casos en los que el individuo de número par de cromosomas es macho suelen denominarse ZZ, siendo las hembras ZO. El sistema XO se da en algunos insectos como grillos, cucarachas y saltamontes. El sistema ZO se observa por ejemplo en el nematodo C. elegans. • Sistema X/A: Se trata de un sistema de determinación por equilibrio genético. El sexo viene determinado por el número de cromosomas X en relación al número de juegos autosómicos, lo que se conoce como índice sexual. Cuando la relación es de X/A = 0,5 los individuos son machos, y para X/A = 1 son hembras. En Drosophila melanogaster la determinación del sexo depende de este sistema. Determinación ambiental Es un sistema de determinación sexual en el que los individuos se ven influidos por diversas variables del entorno, el sexo de la progenie puede modularse después de la fertilización. De entre los factores determinantes, el más importante habitualmente es la temperatura, pero también pueden influir la duración del día, la nutrición, la densidad, la humedad, la composición iónica del medio ambiente, el pH... o incluso la población puede determinar el sexo del organismo. 13 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Este sistema es frecuente en anfibios y reptiles, muy marcado en cocodrilos, tortugas y algunos lagartos, pero también se ha observado en algunas especies de pájaros, como el pavo australiano, y peces. 3.4. Herencia ligada al sexo Existen caracteres que, sin ser caracteres sexuales primarios (presencia de testículos u ovarios) o secundarios (como el vello púbico) solo aparecen en uno de los dos sexos, y se les denominan caracteres ligados al sexo. En los individuos en los que la determinación del sexo depende de la presencia de los cromosomas X o Y, este hecho se debe a que dichos cromosomas son muy diferentes y poseen genes que no tienen nada que ver con el sexo. En ellos se distingue un segmento homólogo, es decir, con genes para unos mismos caracteres, y un segmento diferencial. Los caracteres definidos por genes localizados en el segmento diferencial del cromosoma X se denominan caracteres ginándricos, y los del cromosoma Y, caracteres holándricos. El segmento homólogo es el que permite el emparejamiento de los cromosomas X e Y durante la meiosis. Los genes de este segmento tienen una herencia parcialmente ligada al sexo. En cambio, los genes del segmento diferencial, tienen una herencia completa. 4. Genética humana Muchos de los caracteres fenotípicos que mostramos las personas dependen de numerosos factores ambientales. Sin embargo, algunos caracteres, como el grupo sanguíneo o el color de los ojos, están regulados por genes localizados en los autosomas. Otros como la hemofilia o el daltonismo, dependen de genes localizados en cromosomas sexuales. 4.1. Árboles genealógicos Los estudios genéticos en la especie humana están condicionados por el hecho de no poder experimentar con las personas. Para los estudios de la herencia de los caracteres humanos se utilizan árboles genealógicos o pedigríes. 14 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares Los árboles genealógicos permiten estudiar la transmisión de un determinado carácter a través de varias generaciones de individuos emparentados entre sí. Así, se puede determinar si ciertas enfermedades son de carácter hereditario y si el alelo que las produce es dominante o recesivo. También se puede saber si los descendientes de una pareja pueden llegar a padecer ciertas enfermedades hereditarias. Figura 12. Esquema de un árbol genealógico. Los círculos representan mujeres, los cuadrados hombres. Los matrimonios se indican mediante una línea horizontal que une un cuadrado y un círculo, y las líneas verticales representan a los hijos. Los números romanos indican las diferentes generaciones y los sombreados personas que presentan un carácter, por ejemplo, los afectados por una determinada enfermedad. 4.2. Alelismo múltiple. Grupos sanguíneos y factor Rh En la especie humana existen cuatro fenotipos producidos por tres alelos (ver figura 7 y tabla 2). Los alelos A y B son responsables de la producción de los antígenos o aglutinógenos A y B, que se encuentran en la superficie de los glóbulos rojos o eritrocitos. (Como veremos en Inmunología, los antígenos son sustancias normalmente extrañas al organismo que inducen una respuesta inmunitaria). Los alelos A y B son codominantes entre sí y dominan al alelo O. Cada individuo posee dos alelos y la combinación de estos da lugar a seis grupos de genotipos y cuatro posibles fenotipos distintos. El factor Rh es una proteína integral de la membrana de los glóbulos rojos. Son Rh positivas aquellas personas que presenten dicha proteína en sus eritrocitos y Rh negativa quienes no presenten la proteína. Un 85% de la población tiene en esa proteína una estructura dominante, que corresponde a una determinada secuencia de aminoácidos que en lenguaje común son denominados habitualmente Rh+. Al contrario que en el sistema ABO, las personas con Rh- no poseen anticuerpos anti-Rh+, por lo que si entra en contacto el factor Rh en dichas personas, su sistema inmune elaborará una respuesta inmunitaria que acabe con la destrucción de los glóbulos rojos con Rh en poco tiempo. Esto tiene especial importancia en los embarazos y en las transfusiones sanguíneas. 15 Bloque III: Química de la Herencia Departamento de Biología y Geología IES Marqués de Comares En los embarazos, el análisis sanguíneo se concentra en los casos en los que el padre es Rh+ y la madre Rh–. Para estos casos hay un tratamiento con globulina Rh. Es conveniente recordar que la madre normalmente no está sensibilizada en el primer embarazo, ya que para esto se necesita una exposición previa de la sangre de la madre a la sangre Rh+ del feto, lo cual no suele producirse en embarazos normales excepto en el parto, donde la placenta se desprende y la sangre del bebé y de la madre entran en contacto. 4.3. Herencia ligada al sexo en humanos En la especie humana existen dos deficiencias genéticas que siguen una herencia típicamente ligada al sexo: el daltonismo y la hemofilia. Daltonismo. Es una enfermedad que ocurre cuando hay un problema con los pigmentos en ciertas células nerviosas del ojo que perciben el color. Estas células se llaman conos y se encuentran en la capa de tejido sensible a la luz que recubre la parte posterior del ojo, llamada la retina. Si sólo falta un pigmento, se tiene dificultad para diferenciar entre el rojo y el verde, que es el tipo más común de daltonismo. Si falta un pigmento diferente, se puede tener dificultad para ver los colores azul y amarillo. Las personas con daltonismo para los colores azul y amarillo con frecuencia tienen problemas para identificar también los colores rojos y verdes. Esta enfermedad depende de dos alelos recesivos de genes localizados en la zona no homóloga del cromosoma X. En las mujeres se manifiesta solamente en homocigosis y en los hombres se manifiesta siempre, debido a su condición de hemicigosis. Hemofilia. La hemofilia es un trastorno hemorrágico poco común en el que la sangre no se coagula normalmente por lo que puede traer serios problemas en caso de heridas. Se trata de una enfermedad genética recesiva que casi siempre está ligada al sexo (de los tres tipos de hemofilia, solo uno no está ligado al sexo). Sigue un patrón similar al daltonismo. 16
