Genética I: Mendel, la mitosis y la meiosis


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1 Genética I: Mendel, la mitosis y la meiosis Un modo de estudiar la función biológica es tomar un organismo o célula y dividirlo en sus respectivos componentes (ej.: las proteínas) y, a continuación, estudiar cada componente de forma aislada. La relación entre los genes, las proteínas y la función biológica se sintetiza en el siguiente diagrama: La bioquímica: el estudio de un componente (ej.: una proteína) en ausencia del resto del organismo. La genética: el estudio del organismo en ausencia de uno de sus componentes (ej.:un gen). El estudio de los "mutantes": organismos que carecen de uno o más componentes con respecto al "tipo salvaje" o al fenotipo normal. Primera Ley de Mendel: las unidades de herencia Década de 1860 (aprox.): Gregorio Mendel (http://www.netspace.org/mendelweb/) quería comprender los factores que controlan la herencia. Antes de Mendel, la herencia se consideraba el resultado de una "mezcla". La descendencia semejaba "una mezcla de ambos progenitores". Los primeros experimentos para estudiar el fenómeno de la herencia se llevaron a cabo con plantas y animales de granja. Mendel estudió la herencia en los guisantes. Mendel optó por los guisantes por las siguientes razones: o Eran fáciles de cultivar o El parentaje era fácilmente controlable o Permitían la autopolinización Presentaban varios rasgos con variaciones fácilmente observables. o Mendel pudo obtener variedades puras (aquellas cuya descendencia presenta la misma apariencia que los progenitores). 1 Los experimentos de Mendel Mendel comenzó cruzando dos variedades puras de plantas de guisante con rasgos distintivos: F o (parental): Guisantes lisos x Guisantes rugosos F 1 (1º generación filial) TODOS LISOS

2 El rasgo rugoso había desaparecido! Mendel observó que no había habido mezcla en la descendencia de la F1. A continuación, auto-cruzó algunas plantas F1 (los guisantes pueden autopolinizarse): F 1 lisos x F 1 lisos F 2 (2º generación filial): descendencia lisa y descendencia rugosa. El rasgo rugoso había reaparecido en la descendencia de la F2! Los resultados eran idénticos cuando autocruzaba varias plantas de la F1 o cuando cruzaba dos plantas de la F1. La conclusión de Mendel: esto no podía ser el resultado de una "mezcla"; los resultados se tenían que deber a cierto principio de la herencia de naturaleza discreta. Analizó los datos de la F2, resultante del cruce F1 x F1 y encontró lo siguiente: F 2 : 5474 lisos: 1850 rugosos Proporción 2,96:1 Mendel señaló que la proporción resultante parecía ser de 3:1 (lisos:rugosos). Repitió los experimentos en múltiples ocasiones y siempre llegó a resultados semejantes: proporciones como 3,01:1, 3,15:1, 2,95:1, etc. Basándose en estas conclusiones, Mendel formuló la noción de "unidades de herencia" y contruyó un modelo. El modelo de Mendel (hipótesis): - Cada planta de guisante tiene unas "partículas de herencia", a las que Mendel denominó gametos. Cada planta tienen dos copias de estas unidades y las unidades influyen sobre el tipo de planta (guisantes lisos ó rugosos). - Asignó los siguientes símbolos para las unidades de herencia: (R) para la unidad que daba guisantes lisos y (r) para la unidad que daba guisantes rugosos. F o : lisos (RR) x rugosos(rr) F 1 Rr lisos en F 1 Mendel sugirió que las plantas de la F1 producían gametos que transportaban una unidad, o bien la unidad R o la unidad r. A continuación, sugirió que las unidades separadas en los gametos de la generación F1 se volvían a juntar para formar la descendencia de la F2. Por ejemplo, cuando cruzaba dos progenitores de la F1 para producir descendencia F2, podía esperar los siguientes resultados:

3 Gametos de F1 progenitor #1 R r Gametos de F 1 progenitor #2 R RR Rr r rr rr F 1 x F 1 F 1 lisos(rr) x F 1 lisos(rr) F 2 : RR(lisos) Rr(lisos) rr(lisos) rr(rugosos) 3/4 lisos: 1/4 rugosos A partir de estos experimentos, Mendel propuso su primera ley de la herencia: La primera Ley de Mendel Existen unidades discretas de herencia que se segregan durante la formación de gametos (óvulos o espermatozoides). En los organismos, estas unidades se encuentran en pares, pero en los gametos están reducidas a unidades. Mendel puso a prueba la primera Ley formulando hipótesis que se podían poner a prueba mediante ensayos. Experimento #1: Mendel realizó un cruce F 2 x F 2 (autocruzando varias plantas de la F2) a) F 2 rugosa x F 2 rugosa = F 3 todas rugosas (F 3 (rr)) b) F 2 lisas x F 2 lisas = 1/3 de las veces, toda la descendencia F 3 era lisa (RR(F 2 ) x RR(F 2 ) = Todas RR(F 3 )) 2/3 de las veces, la proporción lisa-rugosa era de 3:1 (Rr(F 2 ) x Rr(F 2 ) = RR, Rr, rr,rr (F 3 )) Experimento #2: A continuación, Mendel llevó a cabo cruces prueba, cruzando una F1 lisa (que podía ser o bien Rr o RR) con un progenitor (F0) de variedad pura rugosa. Si la F 1 es Rr, un cruce prueba con una F 0 rr producirá 1 lisa: 1 rugosa.. Si la F 1 es RR, un cruce prueba con una F 0 rr producirá todas lisas. El modelo de Mendel se pudo validar a partir de sus resultados. Sin embargo, los conceptos de Mendel relativos a las unidades de herencia resultaron ser "demasiado abstractos" para la mayoría de sus coetáneos. 2. Definiciones genéticas: gen: una unidad discreta de herencia que controla un rasgo (la forma del guisante o la apariencia del guisante) alelo: una forma alternativa de un gen (R ó r) genotipo: la pareja de alelos que posee un individuo en particular (RR, Rr ó rr) homocigoto: un individuo con dos copias del mismo alelo (RR ó rr)

4 heterocigoto: un individuo con dos copias de dos alelos diferentes (Rr): alude al genotipo fenotipo: un rasgo determinado por un alelo que distingue a un individuo frente a otro (liso frente a rugoso); resultado de un ensayo. dominante: el fenotipo 1 es dominante sobre el fenotipo 2 si el heterocigoto muestra el fenotipo 1 recesivo: el fenotipo 2 es recesivo frente al fenotipo 1 si el heterocigoto muestra el fenotipo 1 Por ejemplo, liso es dominante sobre rugoso y rugoso es recesivo frente a liso. *Utiliza los términos dominante y recesivo con respecto al fenotipo y a los alelos. Son los fenotipos asociados a las mutaciones, y no las mutaciones en sí, los que son dominantes o recesivos. 3. Cromosomas: la mitosis y la meiosis En la misma época que Mendel, los citólogos hacían observaciones acerca de las células. Los citólogos observaron que cuando las células estaban a punto de iniciar la división celular, y mediante la aplicación de un marcador, ciertos materiales del núcleo de la célula se hacían visibles bajo el microscopio. Denominaron a estos materiales "cromosomas" ("cosas coloreadas"): Observaron también que los cromosomas se disponían en parejas. El número de cromosomas era, por tanto, 2n. Durante la mitosis (división celular), el número de cromosomas se mantenía. Una célula con 2n cromosomas duplicaba su material genético (de 2n a 4n) antes de dividirse para formar dos células con 2n cromosomas cada una. Asimismo, cada una de las células hijas recibía una copia de cada cromosoma de la célula madre. En la meiosis (el proceso a través del cual las células germinales dan lugar a gametos): El número de cromosomas se divide entre dos (de 2n pasan a ser n): una célula con 2n cromosomas forma cuatro células con n cromosomas. En la meiosis, la célula duplica su número de cromosomas (de 2n a 4n) y, a continuación, se somete a dos divisiones. En la primera división meiótica, los cromosomas homólogos duplicados se alinean, uno junto al otro, y un cromosoma de cada par homólogo pasa a cada una de las dos células hijas resultantes. En la segunda división meiótica, las cromátidas hermanas de cada cromosoma se separan, siendo el resultado 4 células con una dotación de n cromosomas cada una. Los citólogos descubrieron que los gametos se separan y se funden durante la formación del cigoto. Cuando dos gametos se funden: n + n = 2n Las células con un número de cromosomas equivalente a 2n se denominan diploides. Las células con un número de cromosomas equivalente a n se denominan haploides. El comportamiento de los cromosomas es el mismo comportamiento que predijo Mendel para sus "unidades de herencia". Esto condujo a la idea de que los cromosomas y las unidades de herencia (genes) eran una misma cosa. Teoría cromosómica de la herencia ~Década de 1900: el comportamiento de los cromosomas es equivalente al comportamiento de las unidades de herencia (segregación y división). Por tanto, la herencia tiene que tener una base cromosómica. Se deduce que los genes o bien son cromosomas o bien están en los cromosomas. Esta teoría cromosómica también concordaba con la 2º Ley de Mendel (véase más abajo). ~1935: Barbara McClintock, que trabajaba con maíz, mostró que algunos genes se podían reorganizar en los cromosomas y que algunos genes podían moverse dentro del cromosoma.

5 4. La 2º Ley de Mendel: Distribución independiente de genes diferentes Los experimentos mendelianos incluyeron el estudio simultáneo de dos o más rasgos diferentes. Mendel descubrió que los rasgos estudiados no se afectaban entre sí, y que cada rasgo por separado desarrollaba el comportamiento que él había predicho. a) Cruce dihíbrido (dos genes): F 0 : Lisas, Verdes (RRGG) X Rugosas, Amarillas (rrgg) F 1 : Todas Lisas, Verdes (RrGg) (doble heterocigoto) Por tanto, liso es dominante, rugoso es recesivo, verde es dominante y amarillo es recesivo. b) Cruce prueba RrGg X rrgg Gametos del progenitor 1: RG, Rg, rg, rg Gametos del progenitor 2: rg Por lo tanto, este cruce produciría, de media: RrGg (lisas verdes), Rrgg (lisas amarillas), rrgg (rugosas verdes) y rrgg (rugosas amarillas), en una proporción de 1:1:1:1. Las proporciones de los fenotipos sugieren que el cromosoma que porta el gen R ó r se distribuye, durante la meiosis, con independencia del cromosoma que porta el gen G ó g. Esto concuerda con la 2º Ley de Mendel. Los guisantes tienen siete pares de cromosomas y Mendel sólo estudió siete rasgos diferentes, cada uno de ellos asociado a un gen ubicado en un cromosoma distinto. Y si Mendel hubiese estudiado ocho rasgos o más? Seguirían concordando los datos resultantes con la teoría cromosómica de la herencia?

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