Trabajos de Mendel y los principios de la herencia La genética es la rama de la biología que estudia la herencia y los mecanismos por los que los genes se heredan o actúan para que en el organismo se manifiesten determinadas características. A continuación se presenta una breve historia de los científicos más importantes en el estudio formal de la genética.
1760: Kolreuter cruza plantas de tabaco y hace la inferencia lógica de que los caracteres de los padres se transmiten por el polen y los óvulos 1865: Gregorio Mendel realiza sus primeros trabajos con plantas de chícharo 1869: Friedrich Miescher, obtiene de los glóbulos blancos el precipitado “nucleína”, después se le llamo ácido nucleico (encontró el ADN ) 1901: Sutton y Boveri demuestran que los genes descritos por Mendel están situados en los cromosomas del núcleo. Postulan que “los cromosomas son la base física de la herencia” 1903: William Sutton encontró semejanzas entre el comportamiento de los cromosomas y el de los factores hereditarios de Mendel; de esta forma postula la teoría cromosómica de la herencia la cual establece: “Cada cromosoma puede contener muchos genes” (Solari, 1995)
La importancia de la teoría cromosómica de la herencia radica en tres principios: 1. Los genes son las unidades de la herencia que determinan las características de un organismo. 2. Los cromosomas, localizados en el núcleo celular, son los portadores de los genes. 3. Las dos leyes de Mendel se explican con base en el comportamient comportamiento o de los cromosomas durante la mitosis. 1905: Reginald Punnett, desarrollo un método rápido para encontrar las proporciones esperadas de los posibles genotipos de la descendencia de una cruza (cuadros de Punnett).
196: T. Hunt Morgan realizó y desarrollo nuevas hipótesis genéticas para consolidar la teoría cromosómica, con base en sus experimentos realizados en la mosca de la fruta ( Drosophila Drosophila melanogaster melanogaster ), ), y concluyo que la determinación del sexo en la mosca depende del tipo de cromosoma sexual que aporte el espermatozoide al unirse con el ovulo (el mismo mecanismo se aplica en los seres humanos). 1914: Robert Feulgen descubre que el colorante fucsina es atraído por el ADN. 1920: P A. Levene mostro que el ADN podía ser degradado en un azúcar de cinco carbonos, un grupo fosfato y cuatro bases nitrogenadas. 1927: Muller postula que los genes pueden ser cambiados o sufren alteraciones.
1944: Avery, O., Colin, M. y McCarty M., descubren que el ADN es el que almacena y transmite la información genética de una generación a otra. 1949: Beadle, G. y Tatum E., formulan la hipótesis un gen-una enzima, la cual establece que la función de un gen en particular es dar las instrucciones para la producción de una enzima especifica.
1953: Watson J. y Crick F., publican su modelo del ADN.
Como parte del vocabulario básico aplicado en temas genéticos, listamos los siguientes conceptos:
Gen o gene: unidad básica de herencia, cada miembro de un par de ellos se llama alelo Alelo : formas alternativas de un gen, que ocupan un locus en un cromosoma Cromosoma: base física de la herencia, conformado por genes
Locus: posición especifica que tiene un gen en un cromosoma (loci-plural)
Fenotipo: características físicas de los individuos, lo que se puede ver o medir
Genotipo: la constitución genética del individuo
Homocigoto: un individuo que presenta dos alelos iguales para un gen
Heterocigoto: individuo que en su genotipo presenta un par de alelos diferentes
Algo de Historia Gregory Mendel, considerado el padre de la genética, fue un monje austriaco cuyos experimentos sobre la transmisión de los caracteres hereditarios se han convertido en el fundamento de la actual teoría de la herencia. Las leyes de Mendel explican los rasgos de los descendientes, a partir del conocimiento de las características de sus progenitores Gregor Mendel nació el 22 de julio de 1822 en Heizendorf (hoy Hyncice, República Checa), en el seno de una familia campesina. Dificultades familiares y económicas le obligaron a retrasar sus estudios. Fue un hombre de contextura enfermiza y carácter humilde y retraído. El entorno sociocultural influyó en su personalidad científica, principalmente el contacto directo con la naturaleza, las enseñanzas de su padre sobre los cultivos de frutales y la rela ción con. diferentes profesores a lo largo de su vida, en especial el profesor J. Scheider, experto en pomología. El 9 de octubre de 1843 ingresó como novicio en el convento de Brünn, conocido en la época por su gran reputación como centro de estudios y de trabajos científicos. Después de tres años, al finalizar su formación en teología, fue ordenado sacerdote, el 6 de agosto de 1847. En un principio fue inducido por su superior a dedicarse al campo de la pedagogía, pero él eligió un camino bien distinto. En 1851 ingresó en la Universidad de Viena, donde estudió historia, botánica, física, química y matemáticas, para graduarse y ejercer como profesor de biología y matemáticas. Durante su estancia allí llegó a dar numerosas clases como suplente, en las materias de matemáticas, ciencias n aturales y ciencias generales, con excelente aprobación entre los estudiantes. Sin embargo, una vez finalizados sus estudios, no logró graduarse, por lo que decidió regresar al monasterio de Abbott en 1854. De naturaleza sosegada y mentalidad matemática, llevó una vida aislada, consagrado a su trabajo. Más adelante fue nombrado profesor de la Escuela Técnica de Brünn, donde dedicó la mayor parte de su tiempo a investigar la variedad, herencia y evolución de las plantas, especialmente de los guisantes, en un jardín d el monasterio destinado a los experimentos.
Sus aportaciones al mundo de la ciencia son consideradas hoy como fundamentales para el desarrollo de la genética. Hacia el final de su vida, en 1868, Mendel fue nombrado abad de su monasterio, donde murió el 6 de enero de 1884 a causa de una afección renal y cardiaca. Mendel tuvo la fortuna de contar, en su propio monasterio, con el material necesario para sus experimentos. Comenzó sus trabajos estudiando las abejas, coleccion ando reinas de todas las razas, con las que llevaba a cabo distintos tipos de cruces. Entre 1856 y 1863 realizó experimentos sobre la hibridación de plantas. Trabajó con más de 28.000 plantas de distintas variantes del guisante oloroso o chícharo, analizando con detalle siete pares de características de la semilla y la planta: la forma de la semilla, el color de los cotiledones, la forma de la vaina, el color de la vaina inmadura, la posición de las flores, el color de las flores y la longitud del tallo. Sus exhaustivos experimentos tuvieron como resultado el enun ciado de dos 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. “Factor” e “híbrido” son, asimismo, dos de los conceptos establecidos por Mendel de absoluta vigencia en la actualidad. En 1865 Mendel expuso ante la Sociedad de Historia Natural de Brünn una extensa y detallada descripción de los experimentos que había llevado a cabo y de los resultados obtenidos. A pesar de su importancia, y de que su trabajo fue distribuido entre las principales sociedades científicas de su tiempo, pasó totalmente inadvertido. Al año siguiente, en 1866, publicó su obra fundamental en un pequeño boletín divulgativo de su ciudad, bajo el título Ensayo sobre los híbridos vegetales. En ella expuso la formulación de las leyes que llevan su nombre. Este ensayo contenía una descripción del gran número de cruzamientos experimentales gracias a los cuales habla conseguido expresar numéricamente los resultados obtenidos y someterlos a un análisis estadístico. A pesar de esta detallada descripción, o quizás por ese mismo motivo, su obra no tuvo respuesta alguna entre la comunidad científica de su época. De hecho, Mendel intercambió correspondencia con uno de los más eminentes botánicos del momento, Carl Nágeli, aunque éste no pareció muy impresionado por su trabajo. Sugirió a Mendel que estudiara otras plantas, como la vellosina Hieracium, en la cual Nágeli estaba muy interesado. Mendel siguió su consejo, pero los experimentos con Hieracium no fueron concluyentes, dado que no encontró normas consistentes en la segregación de sus caracteres, y empezó a creer que sus resultados eran de aplicación limitada. Su fe y su entusiasmo disminuyeron, y debido a la presión de otras ocupaciones, en la década de 1870 abandonó sus experimentos sobre la herencia. No fue hasta mucho después de la muerte de Mendel, en 1903, cuando se descubrió que en Hieracium se da un tipo especial de partenogénesis, que produce desviaciones de las proporciones fenotípicas y genotípicas esperadas. Tuvieron que pasar treinta y cinco años para que la olvidada monografía de Mendel saliera a la luz. En 1900 se produjo el redescubrimiento, de forma prácticamente simultánea, de las leyes de Mendel por parte de tres botánicos: el holandés Hugo de Vries en Alemania, Eric Von Tschermak en Austria y Karl Erich Correns en Inglaterra. Asombrados por el sencillo planteamiento experimental y el análisis cuantitativo de sus datos, repitieron sus experimentos y comprobaron la regularidad matemática de los fenómenos de la herencia, al obtener resultados similares. Al conocer de forma fortuita que Mendel les h abía precedido en sus estudios, estuvieron de acuerdo en reconocerle como el descubridor de las leyes que llevan su nombre.
El británico William Bateson otorgó un gran impulso a dichas leyes, considerándolas como base de la genética (hoy llamada genética clásica o mendeliana), término que acuñó en 1905 para designar la «ciencia dedicada al estudio de los fenómenos de la herencia y de la variación de los seres». En 1902, Boyen y Sutton descubrieron, de• forma independiente, la existencia de un comportamiento similar entre los principios mendelianos y los cromosomas en la meiosis. En 1909 el danés Wilhelm Johannes introdujo el término «gen» definiéndolo como «una palabrita..., útil como expresión para los fa ctores unitarios... que se ha demostrado que está en los gametos por los investigadores modernos del mendelismo». Sin embargo, no fue hasta finales de la década de 1920 y comienzos de 1930 cuando se comprendió el verdadero alcance del trabajo de Mendel, en especial en lo que se refiere a la teoría evolutiva. La observación de los resultados obtenidos llevó a Mendel a formular algunas suposiciones que explicaran los resultados obtenidos: 1. “En cada organismo hay un par de factores que controlan la manifestación de una cualidad particular”. Mendel formuló dicha suposición al observar que en la primera generación (F1) aparece sólo un rasgo de la generación parenteral. El segundo rasgo queda oculto en F1 y reaparece en un 25% en la segunda generación (la reaparición del segundo rasgo sugirió a Mendel que los híbridos llevan oculta una característica). Si hay un factor que queda oculto, es obvio que debe existir otro factor que determina la característica expresada en F1. 2. “Si un organismo tiene dos factores antagónicos para una característica, uno de ellos puede expresarse con exclusión total del otro”. Dicha suposición la formuló Mendel al observar el aspecto de la primera generación (F1) cuyos descendientes presentan la característica de uno de los progenitores a pesar que ambos progenitores son puros. Descartó que un factor hubiese sido destruido ya que reaparece en la segunda generación (F2). Mendel supuso que el gene con la característica observada era más “poderoso” que el determinante del rasgo excluido. Llamó gene dominante al que produce el efecto aunque esté presente su antagonista; y gene recesivo al que no se manifiesta en presencia del dominante. Los “factores antagónicos” corresponden a lo que actualmente se llama genes alelos. En los individuos de líneas puras, los dos genes alelos son iguales (ya sea dominante o recesivo). Para indicar si los genes del individuo son idénticos o distintos se usan los términos homocigoto (genes alelos iguales) y heterocigotos (genes alelos diferentes). Un híbrido es un organismo heterocigoto. Un individuo de línea pura es homocigoto. 3. “Los factores hereditarios se separan o segregan al formarse las células sexuales de manera que cada gameto lleva un factor de cada par”. Esta suposición llevó a Mendel a explicar porque los organismos llevan siempre dos genes para cada rasgo y la relación de 3:1 de la segunda generación. Mendel supuso que el óvulo y el espermio son portadores de un solo factor para el rasgo que se hereda .La fusión de los gametos (fecundación), restablece el par de factores que controla la característica Además, la segregación de los genes determina que en los híbridos, el 50% lleve uno de los factores (genes alelos) y el otro 50% lleva el otro. Antes de introducirnos en el análisis de las leyes de Mendel, revisaremos algunos conceptos que nos permitirán lograr en mejor forma nuestro propósito. LOS CROMOSOMAS son componentes nucleares que desempeñan un papel importante en la herencia, porque en ellos está localizado el material hereditario: los GENES.
presentan en los núcleos de sus células un doble juego cromosómico proveniente de la unión de los dos gametos, cada uno de los cuales contribuye con una serie cromosómica, tal es el caso de las células somáticas, que son las que forman la inmensa mayoría de los órganos. gametos o células sexuales son células HAPLOIDES, porque constan de sólo una serie cromosómica. Las células somáticas son células DIPLOIDES, porque constan de dos series cromosómicas. Las células somáticas humanos tienen 46 cromosomas en sus núcleos. Los gametos humanos (espermatozoides y óvulos) tienen 23 cromosomas en sus núcleos. ación y la célula resultante se llama CIGOTO o CELULA HUEVO. Debido a que los núcleos de las células sexuales tienen una serie cromosómica (son haploides), la célula huevo contiene dos series (es diploide). s. Los miembros de cada par son homólogos entre sí: uno es de origen espermático y el otro de origen ovular, tienen el mismo tamaño, forma y aspecto y contienen dispuestos en el mismo orden, genes similares, es decir, genes que controlan los mismos rasgos hereditarios. Estos genes, que ocupan el mismo lugar (Locus) en una pareja de CROMOSOMAS HOMOLOGOS se llaman entre sí GENES ALELOS. MEIOSIS cada célula sexual contiene sólo un miembro de cada pareja de genes alelos. teres hereditarios, los genes se dividen en DOMINANTES y RECESIVOS. Los genes dominantes son capaces de hacer aparecer un determinado carácter hereditario cualquiera sea el gen que constituye su par. genes recesivos manifiestan su efecto sólo en ausencia de su alelo dominante, vale decir, su efecto se produce sólo si aparece en doble dosis en las células del organismo.
HOMOCIGOTO para el rasgo hereditario en estudio. Por ejemplo, si se examina el par de genes alelos que un individuo presenta para la determinación de su grupo sanguíneo, es homocigoto si los pares alelos son: A-A, B-B y O-O.
HETEROCIGOTO para el rasgo. Ejemplo A-O, B-O, A-B.
GENOTIPO. el
FENOTIPO. Por ejemplo A-A o AO constituyen genotipos que puede presentar un individuo con relación a su grupo sanguíneo. En ambos casos el fenotipo es “grupo sanguíneo A”. El gen O es recesivo. Si un hombre presenta fenotípicamente el grupo O, su genotipo debe ser O-O. fenómenos de la herencia fueron descubiertas por experiencias de hibridación. Estas experiencias consisten en el estudio de la transmisión de una o varias características (monohibridismo, polihibridismo) propias de una variedad por cruzamiento con otra variedad cuyas carac terísticas correspondientes son diferentes.
Son compuestos orgánicos de elevado peso molecular, formados por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo. Cumplen la importante función de sintetizar las proteínas específicas de las células y de almacenar, duplicar y transmitir los caracteres hereditarios. Los ácidos nucleicos, representados por el ADN (ácido desoxirribonucleico) y por el ARN (ácido ribonucleico), son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos.
NUCLEÓTIDOS Son moléculas compuestas por grupos fosfato, un monosacárido de cinco carbonos (pentosa) y una base nitrogenada. Además de constituir los ácidos nucleicos forman parte de coenzimas y de moléculas que contienen energía. Los nucleótidos tienen importantes funciones, entre ellas el transporte de átomos en la cadena respiratoria mitocondrial, intervenir en el proceso de fotosíntesis, transporte de energía principalmente en forma de adenosin trifosfato (ATP) y transmisión de los caracteres hereditarios.
Grupos fosfato Son los que dan la característica ácida al ADN y ARN. Estos ácidos nucleicos, al tener nucleótidos con un solo radical (monofosfato) son estables. Cuando el nucleótido contiene más grupos fosfato (difosfato, trifosfato) se vuelve inestable, como sucede con el adenosin trifosfato o ATP. En consecuencia, se rompe un enlace fosfato y se libera la energía que lo une al nucleótido. Los grupos fosfato forman parte de la bicapa lipídica de las membranas celulares.
Pentosas Son monosacáridos con cinco carbono en su molécula. En los ácidos nucleicos hay dos tipos de pentosas, la desoxirribosa presente en el ADN y la ribosa, que forma parte del ARN.
Bases nitrogenadas También hay dos tipos. Las derivadas de la purina son la adenina y la guanina y las que derivan de la pirimidina son la citosina, la timina y el uracilo.
La timina está presente solo en el ADN, mientras que el uracilo está únicamente en el ARN. El resto de las bases nitrogenadas forma parte de ambos ácidos nucleicos. La asociación de los nucleótidos con otras estructuras moleculares permite la transmisión de caracteres hereditarios y el transporte de energía.
NUCLEÓSIDOS Es la unión de una pentosa con una base nitrogenada, a través del carbono 1’ del monosacárido con un nitrógeno de la base. Al establecerse la unión química se desprende una molécula de agua. Los nucleósidos se identifican de acuerdo a la base nitrogenada de la cual provienen. Si derivan de bases purínicas llevan el sufijo “osina”. Si lo hacen de bases pirimidínicas se agrega la terminación “idina”. Además, si el nucleósidos está unido a la desoxirribosa se le agrega el prefijo “desoxi”.
NOMENCLATURA DE LOS NUCLEOSIDOS
De acuerdo a lo señalado, un nucleótido está formado por un nucleósido unido a uno o más grupos fosfato. Los nucleótidos se identifican de manera similar que los nucleósidos, omitiendo la última vocal y añadiendo la palabra “fosfato”, por ejemplo, adenosin fosfato, desoxicitidin fosfato, uridin fosfato, etc.
Los ácidos nucleicos son larguísimas cadenas formadas por millones de nucleótidos que se unen entre sí por enlaces de fosfatos. La base nitrogenada del nucleótido se une al carbono 1’ de la molécula de pentosa y el grupo fosfato al carbono 5’. La columna vertebral de la cadena o hilera la constituyen el grupo fosfato y la pentosa.
ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) Es una molécula sumamente compleja que contiene toda la información genética del individuo. El ADN regula el control metabólico de todas las células. El ADN posee una doble cadena o hilera de polinucleótidos, ambas con forma helicoidal y ensamblada a manera de escalera. Es un ácido nucleico presente en el núcleo, en las mitocondrias y en los cloroplastos de todas las células eucariotas. Se dispone de manera lineal, aunque en las procariotas tiene forma circular y está disperso en el citoplasma. Para su estudio se lo divide en cuatro estructuras. Estructura primaria del ADN Como fue señalado, cada nucleótido está compuesto por una molécula de ácido fosfórico, una desoxirribosa como pentosa y cuatro bases nitrogenadas que son la adenina, citosina, guanina y timina. Estructura secundaria del ADN El ADN está formado por dos hileras o cadenas de polinucleótidos. El nucleótido de cada hilera sigue a otro nucleótido, y este a su vez al siguiente. De esta forma, cada nucleótido se denomina de acuerdo a la secuencia de cada base nitrogenada. Por ejemplo, una de las secuencias puede ser G-T-A-C-A-T-G-C. Una determinada secuencia de nucleótidos del ADN se denomina gen. Los genes se ubican en un determinado lugar de los cromosomas, y ejercen funciones específicas.
Las bases nitrogenadas de una cadena o hilera están orientadas hacia las bases nitrogenadas de la otra hilera complementaria, unidas entre sí por puentes de hidrógeno. Las bases enfrentadas de cada hilera no lo hacen al azar, sino que la adenina se une siempre a la timina (A-T) mediante dos puentes de hidrógeno y la citosina hace lo propio con la guanina (C-G) a través de tres puentes de hidrógeno, tal como puede verse en el siguiente esquema. De esta forma, las dos hileras permanecen conectadas en toda su longitud. La forma en que se disponen las cuatro bases nitrogenadas a lo largo de toda la cadena es la responsable de codificar la información genética de la célula, con instrucciones para controlar el desarrollo y las funciones del individuo. Numerosas proteínas como las histonas y factores de transcripción se adosan a la molécula de ADN con el fin de regular su expresión.
Funciones del ADN -Almacenamiento de la información genética -Replicación de su propia molécula -Síntesis de ARN (transcripción) -Transferencia de la información genética La replicación o duplicación de la molécula de ADN se produce en la interfase de la división celular, más precisamente en la fase S, con el objetivo de conservar la información genética. Los puentes de hidrógeno que unen las dos hileras de polinucleótidos se rompen, con lo cual ambas cadenas se separan, sirviendo cada una de molde para fabricar una nueva hilera complementaria. La enzima ADN polimerasa se encarga de agregar nucleótidos fabricados por la célula que están esparcidos en el núcleo. Dicha enzima los va añadiendo a cada hilera separada conforme con la secuencia adenosina-timina y citosina-guanina (A-T y C-G). Al terminar la duplicación se obtienen dos moléculas idénticas de ADN de forma helicoidal, cada una con una hilera original y otra hilera neoformada. El núcleo tiene ahora el doble del ADN y de proteínas que al principio. De esta manera, la información genética de la célula madre será transmitida a las células hijas al producirse la mitosis.
ACIDO RIBONUCLEICO (ARN) A diferencia del ADN que posee desoxirribosa y timina, el ARN está formado por ribosa como monosacárido y uracilo como una de las bases nitrogenadas. El ARN forma una sola cadena de polinucleótidos dispuesta en manera lineal. Está presente en el citoplasma de las células procariotas y eucariotas. La formación o síntesis de ARN se realiza a partir del ADN mediante la enzima ARN polimerasa, que copia una secuencia de nucleótidos (genes) de una hilera del ADN. El ARN controla las etapas intermedias en la formación (síntesis) de proteínas. Existen cuatro tipos de ARN con distintas funciones. Ellos son el ARN mensajero, el ARN de transferencia, el ARN ribosómico y el ARN heteronuclear. -ARN mensajero (ARNm) Se forma a partir del molde de una hilera de ADN. El ARN mensajero transporta la información para sintetizar una proteína copiada del ADN, desde el núcleo hasta el citoplasma, pasando por los poros de la membrana nuclear o carioteca. Luego se acopla a los ribosomas, organelas celulares donde se produce la síntesis de proteínas. Un codón está formado por tres nucleótidos del ARNm. Cada codón contiene un aminoácido diferente. Por lo tanto, a partir de la sucesión de los nucleótidos del ARNm se arma la secuencia de aminoácidos de la proteína. Debe recordarse que una serie de aminoácidos forman una proteína. El ARNm se degrada rápidamente por acción enzimática.
-ARN de transferencia (ARNt) Tiene por función transportar aminoácidos hacia el ribosoma. En un extremo de su estructura, el ARNt posee un lugar específico para que se fije el aminoácido. En el otro extremo tiene un anticodón, formado por tres nucleótidos que se unen al codón del ARNm por puentes de hidrógeno.
-ARN ribosómico (ARNr) Se unen a proteínas para formar los ribosomas, organelas formadas por dos subunidades, una mayor y otra menor. En los ribosomas se produce la síntesis de proteínas. El ARNr se sitúa en
el citoplasma, y es el tipo de ácido ribonucleico más abundante de las células. El ARN nucleolar, ubicado en el nucléolo de las eucariotas, es el precursor del ARN ribosómico.
-ARN heteronuclear (ARNh) Se aloja en el núcleo celular y su función es actuar como prec ursor de los distintos tipos de ARN.
