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1 BLOQUE 2: RECONOCE Y APLICA LOS PRINCIPIOS DE LA HERENCIA Y RECONOCE LAS IMPLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN LA VIDA MODERNA. Secuencia Didáctica 1: Genética: el estudio de la herencia. 1. La herencia premendeliana. 2. Leyes de la herencia de Mendel. A. Los experimentos de Mendel B. Aplicación de la probabilidad (P) a la genética C. Las leyes de Mendel 3. Herencia pos mendeliana. 4. Teoría cromosómica de la herencia. 1.- LA HERENCIA ANTES DE MENDEL ACTIVIDAD # 1 Con la siguiente información elaboren en equipo una línea del tiempo tipo rollopergamino. EPOCA ANTIGUA Desde la época antigua fueron evolucionando en al mente del hombre la idea de la herencia biológica. Existen reportes que Teofrasto, filósofo y naturalista, comprendía la relación entre hembras y machos en el proceso reproductivo. Hipócrates de Cos fue el primer científico en meditar sobre el mecanismo de la herencia. Proponía que partículas específicas o semillas son producidas por todas las partes del cuerpo y que estas se transmitía a los descendientes. Formuló una teoría de la herencia en la que postulaba que en el semen se concentraban pequeños elementos representativos de todas las partes del cuerpo humano, dirigiendo que el que tiene ojos azules, engendrará hijos con ojos azules Aristóteles, rechaza la idea de Hipócrates, ya que éste defendía la Pangénesis: las pangas representan caracteres que están alojados en el núcleo y al salir al citoplasma se activan e imprimen a la célula el carácter que representan. Además Aristóteles propuso un conjunto fijo de tipos naturales (especies), que se reproducen de forma fiel a su clase. Pensó que la excepción a esta regla la constituía la aparición, por generación espontánea, de algunas moscas y gusanos "muy inferiores" a partir de fruta en descomposición o estiércol. Las especies forman una escala comprende desde lo simple (gusanos y moscas) hasta lo complejo (los seres humanos), aunque la evolución no es posible. SIGLO XVII Con el descubrimiento de los gametos: por Antonio van Leewenhoek, el espermatozoide y por Regnier de Graaf, el óvulo en el siglo XVII se facilita la explicación de los procesos de reproducción de todos los seres vivos, aunque no inmediatamente ya que Nicolás Hartsaker quien describió las partes del espermatozoide decía que dentro de éste se encontraba un ser humano en miniatura al que llamó Homúnculo. SIGLO XVIII En 1760 el botánico alemán Kölreuter al cruzar dos especie de tabaco colocando polen de una especie en los estigmas de la otra. Las plantas producto de las semillas resultantes tenían caracteres intermedios entre las de las dos plantas progenitoras. Kölreuter hizo la inferencia lógica de que los caracteres de los padres se transmiten por el polen (espermatozoo) y el óvulo. SIGLO XIX En 1865 Gregorio Mendel formuló las leyes básicas de la Herencia mediante experimentos de cruzamiento o hibridación entre plantas, pero desconocía la localización de los genes. 2 El material genético fue aislado por Friedrich Miescher en 1869 en pus de heridas abiertas. Dado que la encontró solamente en el núcleo, Miescher denominó a este compuesto nucleína. Años más tarde, se fragmento esta nucleína, y se separó en un componente proteico y un grupo prostético, a este último, por ser ácido, se le llamo ácido nucleico. Carlos Darwin, postuló en 1868 la existencia de pequeños elementos granulares producidos por las distintas partes del cuerpo las que llamó gémulas, partículas que se transmitían a la descendencia y eran responsables de la herencia. Según Darwin, una fracción de cada parte del cuerpo contribuye a formar el semen. En 1880 Wilhelm Roux propone que la información genética debe estar contenida en los cromosomas del núcleo de las células. A finales del siglo XIX, los científicos Carlos Darwin, Ernst Haeckel, Hugo De Vries y August Weismann desarrollaron teorías sobre la herencia. 1. Los biólogos fueron totalmente conscientes de la necesidad de comprender cómo se producían las variaciones y de saber cuáles se transmitían a las generaciones sucesivas. Además tanto Darwin como Lamarck creían en la herencia de las características adquiridas. 2. Por el contrario, Weisman pensaba que las células de los ovarios y de los testículos que daban lugar al óvulo y a los espermatozoides no eran afectadas por las variaciones experimentadas por los tejidos que forman el resto del organismo, y que los rasgos adquiridos no pueden transmitirse de padres a hijos. 3. En el siglo XIX se aceptaba la Hipótesis de la herencia por mezcla, donde ambos progenitores aportan partes iguales a la progenie. Por su parte Mendel propuso que cada característica está determinada por dos factores hereditarios uno proviene del padre y otro de la madre. Los cuales reciben el nombre de genes y las alternativas posibles para ellos alelos. SIGLO XX Robert Feulgen, en 1914, describió un método para revelar por tinción el ADN, basado en el colorante fucsina. Se encontró, utilizando este método, la presencia de ADN en el núcleo de todas las células eucariotas, específicamente en los cromosomas. Durante los 20 años, el bioquímico P.A. levene a nalizó los componentes del ADN. Encontró que contenía cuatro bases nitrogenadas: citosina, timina, adenina, y guanina; el azúcar desoxirribosa y un grupo fosfato. Erwin Chargaff analizó las bases nitrogenadas del ADN en diferentes formas de vida, concluyendo que, la cantidad de purinas se encontraban en proporciones semejantes a las de la pirimidinas, en diferentes organismos. Un progreso aun mayor se realizó en 1927, cuando H. J. Muller demostró que los genes podían ser cambiados, o sea podrían sufrir mutaciones, cundo las moscas de las frutas y otros organismos eran expuestos a los rayos X. Esto proporcionó muchos nuevos genes mutantes con los cuales poder estudiar la Herencia. En 1928 Griffiths por sus experimentos dedujo que ciertas clase de material de las bacterias muertas había penetrado en lisas, una vez más, la conclusión era clara de que cierta clase de material genético había pasado de las células muertas de tipo lll a las células vivas de tipo ll, y que este material las transformó en células de tipo lll. En 1933 T. H. Morgan y sus colaboradores realizaron extensos experimentos que revelaron la base genética de la determinación del sexo y ofrecieron una explicación de ciertos tipos extraños de herencia en los que un rasgo está ligado al sexo del individuo, los llamados rasgos ligados al sexo. No obstante, el conocimiento exacto del soporte molecular de los caracteres genéticos, dentro de los componentes nucleares, no se conoció hasta 1944 en que Avery, Macleod y MacCarty demostraron inequívocamente que la Herencia se transmitía por el DNA y por las proteínas. En 1953, James Watson y Francis Crick, descubriendo la estructura tridimensional del ácido desoxirribonucleico (ADN) al encontrar un modelo que conjuntaba y explicada todos los datos obtenidos hasta el momento, incluyendo el mecanismo que le permite producirse a sí misma: la replicación del 3 ADN, originado dos copias exactas a la original. Este modelo de dos cadenas se oponía al propuesto por Pauling de tres cadenas. En 1956 Vernon Ingram demostró con sus estudios sobre la hemoglobina de células falciformes que los cambios o mutaciones genéticas se manifiestan en la secuencia de las proteínas transcritas. Es decir, la información contenida en el genoma codifica la estructura primaria de cada proteína del organismo. En 1956, Arthur Kornbeng aíslo la DNA polimerasa en E, Coli. Por ese hallazgo recibió un premio Nobel junto a Severo Ochoa descubridor de la nucleótido sintetasa. En 1958, Meselson y Stahl verificaron que la replicación del DNA es semiconservativa. En 1960 Jacobs y Monod formularon el terminó de RNA, y en 1961, Brenner, Jacobs y Meselson demostraron que la especificidad de la síntesis proteica no es función de los ribosomas, sino del RNA. Spiegelman demostró que el ARN es una copia ADN. Weiss y Hurwitz aislaron la ARN polimerasa. ACTIVIDAD # 2 Redacten un resumen del siguiente tema. 2.- CARACTERISTICAS Y OBJETO DE ESTUDIO DE LA GENÉTICA El estudio de la genética, de la transmisión de las características hereditarias, es uno de los temas cuyo estudio es de gran importancia para el ser humano, especialmente para los adolescentes, pues ellos están en una etapa en que se preguntan el por qué son como se ven y no como quisieran ser. Les gustaría ser más guapos o guapas o más inteligentes, o de cualquiera otra forma, menos como son, y es importante que sepan el porqué de cada una de sus interrogantes. Y todas las respuestas a estas preguntas las puede encontrar en el estudio de la genética. El estudio de la genética ha permitido al hombre de hoy la manipulación de genes por medio de la ingeniería genética, logrando obtener características que permiten la mejor adaptación al medio, la supervivencia y la preservación de la especie con los caracteres más beneficiosos. La transmisión de caracteres de padres a hijos fui intuido desde las primeras observaciones científicas, En los siglos XVIII y XIX se hicieron varios intentos de descubrir cómo se transmite caracteres específicos de una generación a la siguiente. Herencia biológica es el proceso por el cual la prole de una célula u organismo adquiere o está predispuesta a adquirir, las características de sus células u organismos progenitores. A través de la herencia, las variaciones adquiridas pueden irse acumulando. Presenta dos mecanismos: Herencia genética, resultado de la replicación del ADN y de la división celular. Herencia epigenética resultado de, entre otras cosas, modificaciones en el ADN como el silencio o no expresión de un gen. El estudio de la herencia biológica se llama genética, que incluye también la epigenética. ACTIVIDAD # 3 Expliquen en que consistieron las investigaciones que llevaron a Gregor Mendel a formular sus tres leyes. 3.- LEYES DE MENDEL Las leyes de Mendel de la herencia fueron derivadas de las investigaciones sobre cruces entre plantas realizadas por Gregor Mendel, un monje agustino austriaco, en el siglo XIX. Entre los años 1856 y 1863, Gregor Mendel cultivó y probó cerca de 28.000 plantas de la especie Pisum sativum (guisante). En 1900, sin embargo, el trabajo de Mendel fue redescubierto por tres científicos europeos, el Hugo de Vries, el alemán Carl Correns, y el austríaco Erich von Tschermak, por separado, y sin conocer los trabajos de Mendel llegaron a las mismas conclusiones que él. De Vries fue el primero que publicó sobre las leyes, y Correns, tras haber leído su artículo y haber buscado en la bibliografía publicada, en la que encontró el olvidado artículo de Mendel, declaró que éste 4 se había adelantado y que el trabajo de De Vries no era original. En realidad, la idea de que los factores eran partículas físicas no se impondría hasta principios del siglo XX. Parece más probable que Mendel interpretó los factores de herencia en términos de la filosofía neoaristotélica, interpretando las características recesivas como potencialidades y las dominantes como actualizaciones. En 1902, Theodore Boveri y Walter Sutton, trabajando de manera independiente, llegaron a una misma conclusión y propusieron una base biológica para los principios mendelianos, denominada “Teoría cromosómica de la herencia”. Esta teoría sostiene que los genes se encuentran en los cromosomas y al lugar cromosómico ocupado por un gen se le denominó locus (se habla de loci si se hace referencia al lugar del cromosoma ocupado por varios genes). Algunos trabajos posteriores de biólogos y estadísticos tales como R.A. Fisher (1911) mostraron que los experimentos realizados por Mendel tenían globalidad en todas las especies, mostrando ejemplos concretos de la naturaleza. Los principios de la segregación equitativa (2ª ley de Mendel) y la transmisión independiente de la herencia (3ª ley de Mendel) derivan de la observación de la progenie de cruzamientos genéticos, no obstante, Mendel no conocía los procesos biológicos que producían esos fenómenos. Así, puede considerarse que las leyes de Mendel reflejan el comportamiento cromosómico durante la meiosis: la primera ley responde a la migración aleatoria de los cromosomas homólogos a polos opuestos durante la anafase I de la meiosis (tanto los alelos como los cromosomas homólogos segregan de manera equitativa o 1:1 en los gametos) y la segunda ley, al alineamiento aleatorio de cada par de cromosomas homólogos durante la metafase I de la meiosis (por lo que genes distintos y pares diferentes de cromosomas homólogos segregan independientemente). Los experimentos demostraron que: a.-La herencia se transmite por elementos particulados (refutando, por tanto, la herencia de las mezclas). b.-Siguen normas estadísticas sencillas, resumidas en sus dos principios. Las Leyes de Mendel son un conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia de las características de los organismos padres a sus hijos. Estas reglas básicas de herencia constituyen el fundamento de la genética. Las leyes se derivan del trabajo realizado por Gregor Mendel publicado en el año 1865 y el 1866, aunque fue ignorado por largo tiempo hasta su redescubrimiento en 1900. Las tres leyes de Mendel explican y predicen cómo van a ser los caracteres físicos (fenotipo) de un nuevo individuo. Frecuentemente se han descrito como «leyes para explicar la transmisión de caracteres» (herencia genética) a la descendencia. Mendel describió dos tipos de "factores" (genes) de acuerdo a su expresión fenotípica en la descendencia, los dominantes y los recesivos, pero existe otro factor a tener en cuenta en organismos dioicos y es el hecho de que los individuos de sexo femenino tienen dos cromosomas X (XX) mientras los masculinos tienen un cromosoma X y uno Y (XY), con lo cual quedan conformados cuatro modos o "patrones" según los cuales se puede trasmitir una mutación simple: Gen dominante ubicado en un autosoma (herencia autosómica dominante). Gen recesivo ubicado en un autosoma (herencia autosómica recesiva). Gen dominante situado en el cromosoma X (herencia dominante ligada al cromosoma X). Gen recesivo situado en el cromosoma X (herencia recesiva ligada al cromosoma X). 5 El genoma es el conjunto de genes heredados por un individuo. Se conoce como genotipo al par de factores (genes) que controlan una característica determinada, es decir, el genotipo de un individuo es su constitución genética, en general con referencia a un carácter único (en ocasiones se presentan. relacionados, situación que se abordará más adelante) El fenotipo es la expresión de cualquiera de esos genes, en forma de un rasgo físico, bioquímico o fisiológico. Los cuadros de Punnett son un método rápido para encontrar las proporciones esperadas de los posibles genotipos de la descendencia de un cruce. Este método se basa en que la fertilización al igual que la segregación de Mendel, ocurre al azar. Las matemáticas se ocupan del azar por medio de las diversas teorías de probabilidad Si se conoce el genotipo de los padres, se puede usar un cuadro o rejilla de Punnett para predecir los posibles genotipos de la descendencia. Para poder armar un cuadro de Punnett es necesario saber cuál es el alelo dominante y cuál es el recesivo del carácter que se va a estudiar. También hay que nombrarlos. Por lo general se nombra con una letra. Los alelos dominantes van en mayúscula y los recesivos en minúscula. Se debe recordar que un organismo siempre tiene dos copias de sus genes, entonces para nombrar el genotipo de un organismo es necesario anotar dos letras. ACTIVIDAD # 4 Diseñen y contesten el cuadro comparativo correspondiente a las tres leyes de Mendel 1ª Ley de Mendel: Ley de la uniformidad Establece que si se cruzan dos razas puras para un determinado carácter, los descendientes de la primera generación serán todos iguales entre sí (igual fenotipo e igual genotipo) e iguales (en fenotipo) a uno de los progenitores. No es una ley de transmisión de caracteres, sino de manifestación de dominancia frente a la no manifestación de los caracteres recesivos. Por ello, en ocasiones no es considerada una de las leyes de Mendel. Indica que da el mismo resultado a la hora de descomponerlo en fenotipos 2ª Ley de Mendel: Ley de la segregación Conocida también, en ocasiones como la primera Ley de Mendel, de la segregación equitativa o disyunción de los alelos. Esta ley establece que durante la formación de los gametos cada alelo de un par se separa del otro miembro para determinar la constitución genética del gameto filial. Se refiere a una cruza monohíbrida y se le llama “Ley de la Segregación o de la Separación”, y dice “Cada caracter es controlado por dos factores hereditarios (dos genes), que son segregados en forma de gametos”. Primera generación filial (GF1). Son los individuos que provienen del primer cruzamiento de individuos puros para darle seguimiento a una característica de cada uno, en donde se obtiene el 100% de individuos que manifiestan el caracter dominante y además portan el recesivo, por lo que son heterocigotos (Ll). Segunda generación filial (GF2). Son individuos que provienen del segundo cruzamiento (se cruzan a los individuos que produce la GF1 (Ll con li). 6 En este caso se obtiene el 75% (3/4) de individuos con las características dominantes y el 25% (1/4) de individuos con las características recesivas. De cada cuatro individuos, tres portan el caracter dominante y uno el recesivo, quedando una relación final de 3:1. 3ª Ley de Mendel: Ley de la segregación independiente En ocasiones es descrita como la 2ª Ley. Mendel concluyó que diferentes rasgos son heredados independientemente unos de otros, no existe relación entre ellos, por tanto el patrón de herencia de un rasgo no afectará al patrón de herencia de otro. En este caso se lleva a cabo un cruzamiento con individuos puros para darle seguimiento hereditario a dos características de cada uno hacia las siguientes generaciones. Se trata entonces de un cruzamiento dihíbrido que nos indica lo siguiente. “Cada carácter es controlado por dos factores hereditarios o genes, los cuales son segregados en forma de gametos, pero a la vez se efectúa una recombinación independiente de los mismos”. Por ejemplo: En la cruza de una semilla lisa y amarilla, homocigota dominante, con una semilla rugosa y verde, homocigota recesiva, se indicará de la siguiente manera, en donde se obtiene una rejilla 4 x 4 (16 combinaciones probables) ACTIVIDAD # 5 Elaboren un resumen de los temas: “Herencia Mendeliana” y “Teoría Cromosómica de la herencia” 4) Herencia pos Mendeliana. Se ha observado que, aun cuando se realiza el cruzamiento de acuerdo a las leyes de Mendel, existen algunas características que se comportan en forma distinta a lo previsto en ellas. En este apartado se mencionarán ejemplos de herencia intermedia, codominancia y alelos múltiples, utilizando en todos ellos el cruzamiento realizado de acuerdo a la Primera Ley de Mendel. Dominancia incompleta (codominancia). En este tipo de herencia, ambos alelos dominan en forma incompleta, apareciendo un fenotipo distinto a ellos en la GF1, debido a la mezcla de los mismos. Como sucede con las flores rojas (CRCR) y blancas (CR’CR’) de la planta boca de dragón que, cuando se cruzan, en la GF1 se obtiene el 100% de flores rosas (RR’) como tercer fenotipo. Cuando los caracteres de una pareja de individuos se heredan mediante la dominancia incompleta, el fenotipo del heterocigoto resultante en su primera generación aparece con una característica intermedia. La GF2 se obtiene cuando se cruzan dos flores rosas, que producen 1/4 de flores rojas, 2/4 de flores rosas y 1/4 de flores blancas, con una relación 1: 2: 1, que va de acuerdo con la segregación independiente propuesta por Mendel. Efectúa el cruzamiento correspondiente en la siguiente rejilla. CRCR CBCB CB CB CR CR Genotipo: CRCB = 4/4 = 100% Fenotipo: Individuos color ruano = 4/4 = 100% (Exactamente el 50% de pelo blanco y 50% de rojo, alternadamente). 7 5) Teoría cromosómica. En 1903, los investigadores Theodor Boveri y Walter Sutton sentaron las bases de la teoría cromosómica, la cual establece que “los genes son unidades físicas que se localizan en los cromosomas”. Al lugar que ocupa cada gen dentro de un cromosoma se le llama locus. Los patrones hereditarios de un individuo dependen del comportamiento de los genes al cruzarse durante la meiosis y posteriormente durante la fecundación, para la transmisión de las características en una especie determinada. Por otro lado, indican que los genes corresponden a los “factores hereditarios” que Mendel ya había manejado en sus teorías sobre la transmisión de la herencia. Herencia ligada al sexo. Todos los organismos que se reproducen a través de gametos cuentan con un par de cromosomas que determina el sexo para su especie. Las células del humano, como ya se indicó, cuentan con 23 pares de cromosomas. 22 de ellos determinan características corporales, o somáticas, y el par 23 se encarga de la determinación del sexo. Los cromosomas, al estar apareados y unidos por el centrómero, aparentan formar una X. Cuando el último par (en el humano es el par 23) es XX, será mujer. Pero cuando uno de ellos es X y el otro se le parece pero está ligado casi en el extremo, semejando a una Y, será XY o varón, ya que el cromosoma Y es el que activa el desarrollo de los testículos. De tal manera que existen características hereditarias que se asocian únicamente a los cromosomas sexuales. La mayoría de estas características se asocian con el cromosoma X y muy raras veces con el cromosoma Y, como puede ser: Yv = Vello en las orejas. Yt = Diferenciación de testículos. En 1910, T. H. Morgan llevó a cabo investigaciones con la mosca Drosophyla melanogaster. Observó que las moscas hembras tenían todas los ojos rojos, mientras que los machos, además de ojos rojos, algunos presentaban ojos de color blanco (que eran en número menor). Llevaron cruzamientos entre ellos y observaron que en la GF1 todos resultaban de ojos rojos (machos y hembras). Pero al cruzarlos para obtener la GF2, la relación de ojos rojos era 3:1 (dos hembras de ojos rojos, un macho de ojos rojos y un macho de ojos blancos). Con esto determinó que el rojo es dominante, XR, y que el blanco es recesivo, y además que estaba ligado exclusivamente al cromosoma Xr, portado por los machos. La hemofilia, es un padecimiento que impide una coagulación sanguínea normal en los humanos. Se encuentra en un gen recesivo que se localiza en el cromosoma X. De tal forma que cuando es portada por el cromosoma X del varón, éste padece hemofilia; en cambio, para que la mujer padezca la enfermedad, ambos cromosomas X deberán tenerla; es decir, debe de ser homocigota recesiva. Se le llama herencia en Zigzag debido a que el padre enfermo transmite esa característica a sus hijas, que se convierten en portadoras. La enfermedad es transmitida hasta sus nietos, ya que el niño varón no recibe el cromosoma X de su padre, sino de su madre. Hemicigoto. Término que se utiliza para describir a un par de cromosomas sexuales en el varón, en donde uno de sus cromosomas presenta alguna característica determinada. (La mayoría de las veces, el que sostiene la característica es el cromosoma X). El daltonismo es un defecto genético mediante el cual un individuo presenta ceguera para los colores (confunde el rojo con el verde). Este defecto es recesivo, se transmite por la mujer portadora y es padecido o se expresa por el hombre. Debido a que es portado por el cromosoma X, se transmite hasta la GF2. 8 DEFINICIONES DE MENDEL Fenotipo: Son las características que se expresan en un organismo, todo lo que podemos observar. El fenotipo es la expresión de la información genética, como son el color de cabello, de la piel, la estatura, la complexión, el color de las flores, la forma de las hojas entre otras. Genotipo: Es la constitución genética de un ser vivo que determina su fenotipo. Está constituido por el conjunto de caracteres que están codificados en los cromosomas de un individuo. El genotipo no es observable directamente, aunque sí se puede inferir a partir del análisis de las proporciones fenotípicas. Genes: Son segmentos específicos del ADN que determinan una característica hereditaria. Un gen está constituido por un conjunto de nucleótidos Cromosomas homólogos: Par de cromosomas que tienen el mismo tamaño, la misma estructura y que contienen genes para los mismos caracteres acomodados en la misma secuencia. Un cromosoma del par es de procedencia paterna y el otro es de procedencia materna. Alelos: Genes que codifican el mismo carácter y que están localizados la misma posición en el par de cromosomas homólogos. Por ejemplo, el gene para el color de pelo se encuentra en cada uno de los cromosomas homólogos. En los estudios de Mendel los factores "A" y "a" son alelos porque ambos codifican para la misma característica (color de ojos), aunque con expresiones distintas: café y verde respectivamente. Locus: Es el lugar que ocupa un gene en el cromosoma. Los alelos ocupan la misma posición en el par de homólogos. Homocigoto: Alelos idénticos para un carácter. Los alelos homocigotos para el color de ojos tienen codificado el mismo color, por ejemplo en los dos genes está codificado el color verde. Existen dos tipos de homocigotos: dominantes (AA) y recesivos (aa). Cuando el individuo porta genes alelos distintos (Aa), se dice que su genotipo es heterocigoto. Heterocigoto: Alelos para el mismo carácter que difieren. Por ejemplo los alelos para el color de ojos codifican colores diferentes (Aa) A= café, a= verde y este caso indica que el color café es dominante y el verde recesivo. Se recomienda ver el video de leyes de Mendel: http://www.youtube.com/watch?v=OWTdgGOD0XQ