CAPITULO VII

CAPITULO VII

HERENCIA Y VARIACIN

GENERALIDADES

Durante muchos aos, las personas se haban dado cuenta de que ciertas caractersticas fsicas de las plantas, de los animales y de los seres humanos eran iguales en los padres y en los hijos. Los primeros seres humanos se fijaron en que algunas cosas eran iguales y otras diferentes entre los miembros de una generacin y de la siguiente. A pesar de eso, la comprensin de los principios biolgicos que explican los parecidos y las diferencias entre generaciones se consigui hace muy poco tiempo. La primera buena explicacin surgi hace poco ms de 100 aos. Sin embargo, la mayor parte de los conocimientos que tenemos acerca de cmo los seres vivientes trasmiten ciertas caractersticas a sus hijos se ha descubierto a partir de 1900.

En los seres vivientes, los investigadores han encontrado miles de caractersticas que son hereditarias, es decir, que se trasmiten de padres a hijos. Una caracterstica que un ser viviente puede trasmitir a su progenie es una caracterstica hereditaria. En los seres humanos, el color de los ojos, el color del pelo, las formas de la cara y del cuerpo se pueden trasmitir de padres a hijos. La transmisin de las caractersticas de padres a hijos es la herencia. La rama de la Biologa que estudia la herencia es la gentica. Mucho de los grandes descubrimientos cientficos de este siglo han sido en el campo de la gentica. Hoy en da, la gentica es una de las reas ms activas de la investigacin cientfica.

Definicin: Es la transmisin de los caracteres de un individuo a sus descendientes, mediante los genes (cromosomas).

Estructura de los cromosomas

Los cromosomas (fig. 7.1) son unidades carioplsmicas dotadas de organizacin e individualidad propias, estn presentes en nmero definido y se multiplican regularmente y slo por divisin.

Cuando ocurre la reproduccin, los cromosomas pasan a la prxima generacin a travs de los gametos. Su composicin fsica y qumica es tal, que causa efectos especficos y profundos en el curso del desarrollo y de ah en los caracteres del organismo.

La morfologa general de los cromosomas somticos est muy manifiesta en la metafase de la mitosis y con tcnicas especiales se puede conocer la estructura . El cromosoma compacto, cilndrico, tal como se ve en la anafase de la mitosis contiene, dentro de una membrana limitante (vaina pelcula), los cromosomas arrollados helicoidalmente y la matriz asociada.

Vaina (membrana). La existencia de una membrana, que delimita al cromosoma condensado, se ha deducido por varios aspectos del comportamiento cromosmico tanto en material normal como experimental. Se ha demostrado la presencia de membrana en las clulas vivientes, por mtodos microquirrgicos aplicados a los cromosomas de las glndulas salivales de la larva de Chironomus; en otras clulas de animales se han observado cubiertas pericromosmicas ms claras .

Matriz. Aunque se admite generalmente que el cromosoma condensado est rodeado por un material, no hay unanimidad de opinin con respecto a la naturaleza de esa sustancia fundamental o matriz y a su distribucin dentro del cromosomas. Segn algunos autores, este trmino es sinnimo de vaina o pelcula; otros lo aplican a la porcin de sustancias que rodea a los cromosomas; otros opinan que la matriz es un material esencial cromtico; los citlogos ms recientes opinan que la matriz representa la cubierta de la cadena de genes.

Cromonemas. Son filamentos muy finos que constituyen la porcin fundamental y persistente del cromosoma. Los cromonemas, que constituyen el cromosoma, pueden ser dos y, en algunos casos, durante la telofase, el cromosoma puede contener cuatro cromonemas. A lo largo de los cromonemas se observa pequeas masas o abultamientos, especialmente durante la profase meitica, que se encuentran distribuidos de manera semejante a las cuentas de un rosario. Tales masas se llaman crommeros. El trmino crommero ha recibido una connotacin, que en el uso moderno citolgico, implica la existencia de regiones constantemente reproducibles que se contraponen a las porciones adjuntas del cromonema por diferencia en dimetro y capacidad de tincin. Se ha sugerido que los crommeros, vistos en la profase, son cmulos locales de materiales sintetizados, pero ms comnmente se cree que los crommeros representan agregados de genes o que son productos de su actividad, que se manifiestan por una acumulacin de sustancias, probablemente cido desoxirribonucleico. Parece cierto que el cromosoma presenta diferenciaciones longitudinales, lo que est de acuerdo con el concepto de la localizacin de los genes en determinadas regiones y no en toda la extensin del cromonema.

Organizacin lineal del cromosoma. Una estructura importante del cromosoma es la regin en la que quedan concentradas sus relaciones con el mecanismo del huso acromtico: es la regin llamada centrmero (o constriccin primaria). Se supone como una regin acromtica atravesada por los cromonemas en forma modificada. Dentro del centrmero se han observado pequeos corpsculos esfricos (esfrulas del hueso o crommeros de enlace). La modificacin de la forma del cromosoma, en el curso de la mitosis, depende, al menos en parte, de la posicin del centrmero. El cromosoma con un centrmero terminal, se denomina generalmente cromosoma telocntrico o telontico y tiene forma de bastn recto con brazo pequeo a veces imperceptible; cuando el centrmero est cerca del extremo, el cromosoma tiene los brazos desiguales y se asemeja a una J, denominndose cromosoma submetacntrico; cuando el centrmero est situado hacia el centro, los brazos del cromosoma son aproximadamente iguales en forma de una V, y recibe el nombre de cromosoma metacntrico (fig. 7.2).

Constricciones Secundarias. Los cromosomas pueden tener una o ms constricciones secundarias en uno o en ambos brazos. En general, son constantes en su posicin y en extensin, pudiendo existir constricciones cortas y largas, intercalares y terminales. Comnmente un solo cromosoma del juego completo tiene en uno de los brazos una constriccin secundaria que se destaca ms, con la cual esta asociada una funcin particular, la organizacin del nucleolo. El pequeo segmento de cromosoma distal a esta constriccin, se llama satlite.

Gen.Es la partcula elemental de un cromosoma, constituida esencialmente por ADN, y es responsable de la transmisin hereditaria de un carcter.

Cada gen esta localizado en un punto determinado y especfico del cromosoma denominado locus. Los genes se consideran como alelomorfos cuando ocupan un locus o lugar idntico en un cromosoma homlogo y determinan la aparicin de un carcter opuesto en el individuo.

Los genes se transmiten inmodificados de generacin en generacin a travs de los gametos, sin embargo, pueden estar modificados por diversos factores que son capaces de ejercer una mutacin. Existe una correlacin entre genes, enzimas y la aparicin de un determinado carcter; as, los genes tienen un papel destacado en la formacin de protenas, as como de las enzimas que intervienen como catalizadores en las reacciones qumicas del organismo y que, por lo tanto, determinan la aparicin de ciertas caractersticas individuales.

INTRODUCCIN A LA HERENCIA

En 1865, el monje Agustino Gregorio Mendel (1822-1884) descubri algunos de los principios que gobiernan la transmisin de las caractersticas hereditarias, tras una larga serie de experimentos con guisantes. EL xito de Mendel se debi, en gran parte, a que combin, por primera vez, las matemticas con la biologa. Con este respaldo, plane experimentos que diferan en tres aspectos importantes, de los realizados por sus predecesores. Primero, no intent estudiar a la vez varios factores sino que se limit a estudiar una caracterstica particular en cada caso. Segundo, en lugar de estudiar un nmero relativamente pequeo de descendientes de un cruce, utiliz varios cruces idnticos y reuni todos los resultados como si provinieran de un solo cruce. Tercero, cuando obtuvo un nmero grande de descendientes, pudo aplicar las matemticas en el anlisis de los resultados.

Los experimentos de Mendel

Mendel escogi los guisantes, debido a su gran variedad y a sus mltiples caractersticas hereditarias. Adems, eran fciles de cultivar y producan gran nmero de generaciones en tiempo razonablemente corto. Finalmente, y esto fue de gran importancia, la estructura de la flor del guisante es tal, que Mendel pens que no era posible la polinizacin cruzada, efectuada por el viento o por los insectos.

En primer lugar, Mendel tuvo el cuidado de que las plantas que iba a utilizar fueran de raza pura con relacin a las caractersticas que deseaba estudiar. Logr esto, dejando que las plantas se fecundaran as mismas durante varias generaciones y examin cada nueva generacin para asegurarse que toda la descendencia fuese igual e idntica a las plantas progenitoras.

En seguida, hizo centenares de cruces experimentales. Si quera polinizar una planta con el polen de otra, eliminaba los estambres de la flor que iba a ser cruzada, antes de la maduracin de su propio polen. Despus, al madurar el pistilo, pasaba a ste el polen de la otra parte (la seleccionada como progenitor macho). De esta manera, pudo controlar el parentesco de las prximas generaciones.

Durante una serie de cruces, Mendel poliniz plantas de una variedad que slo produca semillas lisas (raza pura para esta caracterstica), con el polen de otra variedad que slo produca semillas rugosas (tambin raza pura). Observ que toda la descendencia de este cruce tenia semillas lisas y ninguna rugosa. Es ms, daba lo mismo si el progenitor de semillas lisas aportaba el nucleo espermtico (mediante el polen) o la oosfera, y no se representaban intermedias; las semillas de las plantas hijas eran tan lisas como las de uno de sus progenitores, sin ninguna traza de la rugosidad del otro. Una caracterstica pareca dominar sobre la otra. Mendel por lo tanto, dio el nombre de dominante a la caracterstica que apareca, sin excepcin, en los hbridos (descendencia de un cruce entre padres con caractersticas opuestas).

Cuando se hace el cruce entre dos organismos de "raza pura" para observar una caracterstica particular, la generacin de los padres se llama P1 . Los hijos resultantes del cruce de P1, se llaman primera generacin filial (F1). En las plantas que tienen generaciones alternantes, tales como guisantes o (arvejas), todo el ciclo esporofito-gametofito se considera como una sola generacin. Esta consideracin obedece a que la meiosis y la fecundacin ocurren una sola vez en el ciclo, estos hechos son importantes en el estudio de la herencia. As, el cruce de la generacin P1 produce una generacin F1 .

En la siguiente serie de experimentos, Mendel permiti que las plantas hbridas (generacin F1 ) se autopolinizarn, para producir la generacin F2 . En el ejemplo utilizado, en que la mayora de las semillas de la generacin F2 resultaron lisas y las otras rugosas, Mendel llam rasgo recesivo a esta caracterstica rugosa debido a que mostr un receso o desaparicin en la primera generacin. De nuevo observ la ausencia de formas intermedias. Las nuevas semillas eran rugosas o lisas; en las otras seis caractersticas que estudi obtuvo resultados similares. La caracterstica que haba aparecido en toda generacin F1 (dominante), apareci en la mayora de la generacin F2 , pero algunos individuos de esta generacin presentaron las caractersticas opuestas.

Estos resultados fueron un rompecabezas para Mendel puesto que, en aquel tiempo, no se conocan an las teoras de la herencia. Tuvo, por lo tanto, necesidad de conformar una teora que explicara los hechos a partir de los resultados de los experimentos.

Su razonamiento: primero supuso que una caracterstica, por ejemplo la de "semilla lisa", era debida a un "factor" dominante, que simboliz por R, y que el rasgo "semilla rugosa" era debida a otro "factor" recesivo, representado por r. Desde el ao 1910, estos factores genticos reciben el nombre de genes. Luego concluy que cada planta tenia un par de genes por cada caracterstica. Se vio forzado a hacer esta suposicin debido a que las plantas progenitoras de la generacin F1, que tenan la caracterstica dominante, producan partes de la descendencia con la caracterstica recesiva.

Mendel tuvo que suponer que estos progenitores podan poseer la caracterstica dominante , solamente si posean, por lo menos, un gen dominante. Sin embargo, cmo podan producir descendientes que mostraban la caracterstica recesiva, sin tener, por lo menos, un gene recesivo cada planta de F1, que produjo plantas con semillas rugosas, R y r. Naturalmente las plantas de F1 podan haber tenido ms de uno de cada tipo; pero era ms fcil suponer que para cada caracterstica haba un par de genes, uno de cada clase.

En el campo de la ciencia, se prefiere siempre la explicacin ms simple, cuando sta se ajusta a todos los hechos.

Para mayor seguridad Mendel tuvo que suponer que las plantas de generacin P1 tambin posean dos genes. Una planta que slo poda producir semillas lisas deba representarse con el smbolo RR, es decir, con dos genes para semillas lisas y ninguno para las rugosas. Una planta de raza pura para semillas rugosas (que solo produce descendientes de semillas rugosas), deba representarse por rr, es decir, con dos genes para semilla rugosa y ninguno para lisa. Hoy da, este patrn de genes heredados, que se indica por smbolos pareados se conoce como genotipo de un organismo y la expresin de este se conoce como fenotipo.

Con base en estas suposiciones y de acuerdo con el estudio de los datos y los conocimientos que tena de la matemtica de las probabilidades, Mendel lleg a una importante generalizacin: Los dos miembros de cada par de genes deben separarse cuando se forman los gametos, y solamente un gene de cada par entra a formar parte de uno de los gametos.

P1

RR

rr

Gametos R

R r

r

F1

Rr

Rr

Gametos R

r R

r

F2

RR

Rr

Rr

rr

Recurdese que Mendel llev a cabo sus experimentos alrededor de 1860, cuando estructuras tales como los cromosomas eran desconocidos para l. Sin embargo, ntese que los cromosomas homlogos se portan, sospechosamente, como los factores hipotticos de Mendel: aquellos se encuentran en pares y se separan durante la formacin de gametos (meiosis), uno va a cada gameto. En la fecundacin se unen de nuevo los dos cromosomas homlogos, uno de cada progenitor.

En consecuencia, por la hiptesis de que solamente un factor para una caracterstica hereditaria iba a cada gameto, Mendel reconoci la necesidad de la meiosis, aunque, desde luego, desconoca el proceso. Cuando not la recombinacin, tambin reconoci que los factores deban unirse de nuevo en la fecundacin formando los pares en los hbridos de F1 . En otras palabras, Mendel descubri que los dos factores que influan sobre la forma de la semilla de los guisantes deban separarse o segregarse el uno del otro, durante la formacin de los gametos. Este concepto se conoce como la primera ley de Mendel, la Ley de la segregacin, que establece que los factores de un par de caractersticas se segregan.

Otra de las caractersticas que observ Mendel fu la altura de las plantas, cruz plantas altas de cepas puras con plantas bajas de cepas puras.

Progenitores: P1

Altos TTxEnanos tt

TT

t t

Clulas espermticas

huevos

Fertilizacin

Tt

F1

Altos Tt

Mendel vi que su hiptesis explicaba bastante bien la razn de tres plantas altas a una enana que l obtuvo en la generacin F2. Est segundo cruce se puede diagramar as:

Cruce de F1

Altas Tt

x

Altas Tt

T t

T t

Clulas espermticas

Huevos

En este caso, cada una de las plantas que se cruzan puede producir dos tipos de gametos en lugar de un slo. La mitad de los gametos producidos llevarn el factor T para la altura. Los otros llevarn el factor t para enano. Mendel vio que si las dos plantas producan dos tipos de gametos en nmeros iguales, la razn de tres a uno se podra explicar en base del azar y la probabilidad. Puesto que cualquier tipo de clula espermtica tiene una probabilidad igual de fertilizar a cualquier tipo de vulo, cuatro posibles uniones pueden llevar a cabo:

1. Una clula espermtica llevando un factor T se puede unir con un vulo que lleva el factor T dando TT (planta alta).

2. Una clula espermtica llevando el factor T se puede unir con un vulo que lleva el factor t, dando Tt (planta alta).

3. Una clula espermtica que lleva el factor t se puede unir con un vulo que lleva el factor T, dando tT (planta alta).

4. Una clula espermtica llevando el factor t se puede unir con un vulo que lleva el factor t, dando tt (planta enana).

Puesto que la generacin F1 mostr que el factor T es dominante sobre el factor recesivo t, las primeras tres posibilidades de fertilizacin resultaran altas. Solamente la cuarta producira una planta enana.

No todas las caractersticas se heredan en una manera tan simple como la altura y el enanismo en los guisantes. En realidad, una herencia simple, en la que solamente intervienen un par de genes es excepcin y no la regla. Tampoco se necesita que una caracterstica sea completamente dominante sobre la otra. Muy a menudo la combinacin de genes diferentes tiende a producir grados variables de dominacin parcial o incompleta, en este caso, el resultado es, generalmente, una mezcla de dos genes para producen una apariencia diferente.

En el cruzamiento de ciertos tipos de ganado se ve un ejemplo de dominacin incompleta. Si una animal rojo se cruza con un blanco, se produce un animal de un color intermedio, un ruano, dando la razn de un rojo, dos ruanos y un blanco. Una vez ms la gentica mendeliana provee una explicacin inmediata para los resultados.

Blanco (rr)

Rojo (RR)

Ruano (Rr)

Ruano (Rr)

Blanco (rr) Ruano (Rr) Ruano (Rr)

Rojo (RR)

Ntese que si la piel roja fuera dominante sobre la blanca o viceversa, se obtendra una razn de 3:1. Sin embargo, puesto que los genes se modifican uno a otro para producir un color intermedio, se obtiene una razn 1:2:1, ms an, en este caso los animales de F1 se distinguen fcilmente de sus progenitores.

Algunas veces es ms fcil determinar las posibles combinaciones que puede ocurrir en la fertilizacin, organizando los gametos en una matriz o cuadrado de Punnett.

Gametos

T

t

Gametos T TT

Tt

(alta) (alta)

> cigotes

t Tt

tt

(alta) (enana)

El cuadrado de Punnett no deja pasar por alto ninguna posible combinacin de gametos, lo cual puede suceder fcilmente en cruces ms complicados que tienen ms de un par de genes. Sin embargo, no se debe olvidar que los smbolos representan gametos (espermatozoides y vulos) y los cigotos representan el organismo potencial en cuestin.

Una mirada rpida sobre la terminologa gentica facilitar la comprensin de lo que estamos tratando. Como vimos anteriormente, los genes que llevan factores hereditarios que contrastan se llaman alelos. Los alelos se colocan uno a lado del otro durante la sinapsis de cromosomas homlogos. Los genes T y t en las plantas de guisantes altas y enanas, son alelos porque llevan factores hereditarios que contrastan para el tamao de la planta.

El trmino homocigote, se usa para designar un individuo en el cual un par de genes son idnticos; si los genes son diferentes, el individuo es heterocigote. Por ejemplo, las plantas parentales de guisantes altas, utilizadas por Mendel, tanto como las enanas, eran homozigotas, puesto que ambas contenan genes iguales para la altura (TT y tt, respectivamente). Sin embrago, 2/3 de las plantas altas de la F1, que llevan el gen recesivo t para enanas, eran heterocigotas para un par de genes, pero homocigotas para otros.

Se debe distinguir entre la apariencia de un organismo y los factores hereditarios o genes que pasan a sus descendientes pues, como se ha visto ya, uno puede estar encubierto por el otro. La apariencia registrada por medio de nuestros sentidos, se llama fenotipo.

El fenotipo de la planta TT es la altura. El fenotipo de la planta Tt es tambin la altura. La planta con tt tiene un fenotipo enano.

Por otra parte, el cdigo de clasificacin dada a un organismo, basndose en los datos obtenidos en experimentos de cruzamiento, es el genotipo. En otras palabras, mientras que el fenotipo es la clasificacin de acuerdo con la apariencia, el genotipo es la clasificacin de acuerdo con la constitucin gentica. Por ejemplo, los smbolos Tt, representan el genotipo de una planta de guisantes alta heterocigota.

Mendel aplic su teora, tambin, a dos caractersticas consideradas en conjunto, por ejemplo, los factores de color y forma de semillas. EL not que los cruces entre variedades puras de plantas de guisantes (una con las caractersticas dominantes de semillas redondas y amarillas; y otras de arrugadas y verdes) daban una F1 fenotpicamente idntica a la planta parental dominante; es decir, todas las plantas de F1 daban una razn de nueve plantas que producan semillas redondas amarillas a tres plantas que producan semillas verdes redondas, a tres que producan semillas amarillas arrugadas, a una que produca semillas verdes arrugadas.

Recurdece que cuando Mendel estuvo trabajando con una caracterstica solamente, como la altura y lo enano de las plantas de guisantes, formul la hiptesis de la existencia de un par de "factores" (genes) que se segregaban en la formacin de gametos. Cuando l comenz a trabajar con dos pares de genes, cada par estara relacionado con la herencia de una de las dos caractersticas, no tuvo problemas en presumir la existencia de dos pares de genes; cada par estara relacionando con la herencia de una de las dos caractersticas contrastantes (redonda arrugada y amarilla verde). Los miembros de cada uno de estos pares tambin se segregaban durante la gametognesis: cada gen para el color de la semilla ira a un gameto diferente. Lo mismo sucedera con los genes para la forma de la semilla, stos tambin iran a distintos gametos. Pero Mendel razon: si la segregacin de los genes para el color de la semilla es enteramente independiente de la segregacin de los genes para la forma de la semilla, y sta ocurre completamente al azar entonces se pueden aplicar una vez ms las matemticas del azar y la probabilidad. Esto se conoce como la segunda ley de Mendel, la ley de la distribucin independiente.

El primer cruce de Mendel se puede diagramar en la siguiente forma:

Progenitor amarillo redondo

Progenitor verde arrugado

RRYY

Genotipos

rryy

solo RY

posibles gametos

solory

En donde R = redondo, r = arrugado, Y = amarillo e y = verde. Puesto que cada progenitor puede producir solamente un tipo de gameto, hay solamente una posible combinacin para la fertilizacin.

solo RY

posibles gametos

solory

F1Todos amarillos redondosRr Yy Cigote

Ntese que las plantas de la F1 de Mendel (que producen semillas redondas amarillas) difieren genotpicamente del progenitor que produce semillas amarillas redondas. Todas las plantas F1 deben ser doblemente heterozigotas, o dihbridas. Por lo tanto, las plantas F1 producen gametos que no son iguales a los de sus progenitores homozigotes. Mendel hizo nfasis sobre la distribucin completamente al azar de los genes no allicos. Teniendo en cuenta esto, es evidente que cada planta F1 puede producir 4 tipos de gametos.

Planta masculina de F1Rr Yy

Planta femenina de F1

Rr Yy

GametosRYRyrYry GametosRYRyrYry

Ahora hay varias posibilidades de fecundacin, cada una determinada enteramente al azar. En los casos de slo un par de genes los hbridos F1 pueden producir solamente dos tipos de gametos. Por lo tanto, haban 2x2, es decir, 4 posibilidades de fecundacin. En casos de dominacin completa, se obtena una razn de tres a uno. Sin embargo, en este caso, cada individuo de la F1 produce 4 tipos diferentes de gametos. Las posibilidades de fecundacin son por lo tanto 4x4, es decir, 16. La razn 3:1 de los cruces monohbridos da un nmero total de posibilidades de fecundacin con un par de genes, de 3+1=4. Lo mismo se aplica para la razn obtenida cuando se trata de dos pares de genes, porque 9+3+3+1=16.

Gametos maculinos de la generacin F1

RY

Ry

rY

ry

Gametos

RRYY RRYy RrYY RrYy

femeninosRY(redonda(redonda(redonda(redonda

de la

amarilla) amarilla) amarilla) amarilla)

generacin

RRYy RRyy RrYy

Rryy

F1

Ry(redonda(redonda(redonda(redonda

amarilla) verde) amarilla) verde)

RrYY RrYy

rrYY

rrYy

rY(redonda(redonda(arrugada(arrugada

amarilla) amarilla) amarilla) amarilla)

RrYy Rryy

rrYy

rryy

ry(redonda(redonda(arrugada(arrugada

amarilla) verde) amarilla) verde)

La F1 de un cruce dihbrido se puede presentar en un diagrama utilizando el cuadro de Punnett. Al contar los fenotipos, se comprueba la proporcin que se obtuvo experimentalmente: (9:3:3:1).

DESCUBRIMIENTOS POSTERIORES A LOS PRINCIPIOS DE MENDEL

Localizacin de los genes.

Durante los 35 aos en que permaneci ignorada la obra de Mendel se hicieron, no obstante, muchos progresos en el estudio de la clula. Se desarrollaron nuevas tcnicas de tincin que posibilitaron observaciones ms detalladas de la sustancia nuclear de la clula. Como consecuencia, se descubrieron los cromosomas y los detalles de la mitosis y la meiosis. Estos ltimos se aclararon entre los aos de 1870 y 1880, sobre todo lo relacionado entre la meiosis y los factores de Mendel. El primero en demostrar claramente esta relacin fue el joven Walter S. Sutton.

La teora cromosmica

El primer paso del razonamiento de Sutton (1876-1916) no fue nada nuevo en la ciencia. Los eslabones que unen a los padres y los hijos, en todos los organismos de reproduccin sexual, son los gametos masculinos y femeninos. Por lo tanto, estas clulas reproductivas deben contener la fuerza que controla la herencia. Mendel encontr que no tena importancia saber cual de los progenitores adoptaba las caractersticas dominantes o recesivas pues, en cualquier de los casos, la proporcin de la descendencia era la primera. De aqu que los gametos deban contribuir por igual a la herencia de la prole. Por lo que el gameto masculino consta principalmente de un pequeo ncleo y el ncleo del vulo parece ser igual al del espermatozoide, se puede concluir que el material nuclear controla la herencia.

En el ncleo aparecen los cromosomas, tanto en la mitosis como en la meiosis, lo que hizo razonar a Sutton de la siguiente manera:

1. Al concluir la meiosis, el nmero de cromosomas que queda en cada espermatozoide u vulo es exactamente la mitad del nmero que se encuentra en la clula del cuerpo. Esto corresponde a la teora de Mendel, segn la cual cada gene de un par est presente en todo gameto.

2. La unin del espermatozoide con el vulo, cada cual con un juego simple del cromosomas (haploide), restablece, en el nuevo organismo, el juego doble de cromosomas (diploide), presente en las clulas del cuerpo del organismo progenitor. Esto corresponde a la idea de Mendel de que cada progenitor contribuye con igual nmero de cromosomas (genes).

3. El cromosoma individual retiene su estructura e identidad a travs de las diversas divisiones celulares de la meiosis y, posteriormente, a lo largo de las innumerables divisiones mitticas, que ocurren a medida que el nuevo organismo se desarrolla. Esta conservacin de la individualidad del cromosoma, es comparable a la conservacin de cada gene a travs de las varias generaciones de las clulas corporales y de los gametos.

4. Durante la meiosis, cada par de cromosomas se separa de los otros pares. Supongamos que en cualquier par, designamos un cromosoma del juego haploide recibido del progenitor masculino, como A y el cromosoma correspondiente del juego haploide recibido del progenitor femenino, como A'. Supongamos que designamos otro par, como B' (del progenitor masculino) y B (del progenitor femenino). En la meiosis encontramos que A no siempre va al polo B, tampoco A' va junto con B'. En realidad, en los polos podemos encontrar con igual frecuencia AB, A'B, AB' y A'B'. Este comportamiento de los cromosomas durante la mitosis, explica claramente el principio de la segregacin independiente de la teora de Mendel.

En sntesis, Sutton concluy que los genes son pequeas partculas localizadas en los cromosomas. Esta es la teora cromosmica de la herencia.

Evidencia de la Teora cromosmica

Numero de genes y cromosomas

Mendel haba encontrado que cada una de las caractersticas estudiadas por l se heredaba independientemente. Cuando consider dos caractersticas a la vez (cruce dihdrido), la proporcin de fenotipos en la generacin F2 se aproximaba a la proporcin 9:3:3:1 predicha por el principio de la segregacin independiente. Segn el razonamiento de Sutton, cada caracterstica estudiada por Mendel deba ser controlada por genes localizados en diferentes pares de cromosoma. Sin embargo, Sutton se dio cuenta de que debe haber ms de un par de genes en cada par de cromosomas. Si esto no fuera as, el nmero de caractersticas bajo control de un organismo tendran solamente uno o dos cromosomas pares. Como algunos organismos tienen solamente uno o dos pares de cromosomas y el hombre, organismo muy complejo, tiene slo 23 pares, el nmero de caractersticas sera indudablemente muy limitado. Cuando se considera el gran nmero de caractersticas heredables de un organismo, se pone de manifiesto que en cada cromosoma se localizan muchos genes diferentes. Esta consideracin permiti a Sutton hacer la siguiente prediccin: si los genes para dos caractersticas diferentes se encuentran en el mismo par de cromosomas, no podran transmitirse independientemente. Estas caractersticas controladas por genes ligados, deberan aparecer juntas en la prole y la proporcin de fenotipos no sera de 9:3:3:1.

Ya en 1906 se encontraron proporciones que diferan notablemente de la de 9:3:3:1 predicha por Mendel para los cruzamientos dihbridos. Pero estas excepciones nunca ocurrieron en una proporcin neta de 3:1, como poda esperarse, cuando los dos genes se encontraban siempre en el mismo cromosoma. La nueva prueba fue una especie de confirmacin de la teora cromosmica, pero tambin planteaba un nuevo problema: Porqu las proporciones de F2 no eran ni 9:3:3:1, ni 3:1?. Esto no se pudo explicar hasta despus de varios aos.

El sexo de la mosca de la fruta

Mientras tanto, en el laboratorio donde haba trabajado Sutton, se organiz el estudio de la herencia sobre bases completamente nuevas. Thomas Hunt Morgan (1866-1945) comenz a experimentar con la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster.

Los estudios cuidadosos de las clulas de la Drosophila demostraron que slo tres de los cuatro cromosomas pares son idnticos en las hembras y los machos. Al cromosoma del cuarto par, con forma de bastoncillo, se le llamo cromosoma X y al de forma de gancho se le llama cromosoma Y. Las moscas hembras siempre tiene dos cromosomas X; mientras que los machos tienen uno solo, ms un cromosomas Y; por esta razn, los gametos de las hembras slo pueden poseer cromosomas X, pero los gametos del macho pueden poseer o un cromosoma X o un Y, puesto que los miembros del par de cromosomas se separan en la meiosis. Por lo tanto, el sexo, una caracterstica visible del individuo, podra asociarse definitivamente con una caracterstica visible de la clula; el par desigual de cromosomas. En esto radic la evidencia de que una caracterstica heredada, se determina por "algo" que se localiza en los cromosomas.

Caractersticas emparentadas con el sexo

Drosophila melanogaster tiene normalmente los ojos rojos. Morgan, al analizar miles de estas moscas, encontr un macho que tenia los ojos blancos. Esto despert su inters y decidi cruzar este macho con una hembra de ojos rojos. La generacin F1 producida por este apareamiento, constaba slo de moscas de ojos rojos. En seguida, dej que se cruzaran los miembros de la generacin F1 para que se produjera la F2 . En sta encontr una proporcin de tres moscas de ojos rojos por una de ojos blancos. Naturalmente, era lo esperado. Pero Morgan not, adems, otra cosa curiosa: todas las moscas de ojos blancos eran machos. Haba aparecido algo nuevo, una caracterstica que en alguna forma se relacionaba con el sexo, o sea, un rasgo emparentado con el sexo, una caracterstica ligada al sexo.

P1 MachoXY

HembraXX

Gametos X Y

vulos X X

espermatozoides

F1 XX

XX

XY

XY

hembra hembra

macho macho

ojos rojos ojos rojos ojos rojos ojos rojos

Gametos vulosXX

XY espermatozoides

F2

XX

XY

XX

XY

hembra macho

hembra macho

ojos rojos ojos blancos ojos rojos ojos rojos

(El smbolo () en la X indica la presencia del gene recesivo para ojos blancos).

La ausencia de disyuncin

Muchas otras observaciones hechas despus del trabajo de Morgan, han proporcionando pruebas adicionales de que los genes estn localizados en los cromosomas. Una de estas fue fecha por uno de sus estudiantes, Calvin B. Bridges en 1915, al descubrir la no disyuncin. La no disyuncin significa que un par de cromosomas, que normalmente se separaran durante la meiosis, no lo hacen y, por consiguiente, terminan unidos en la misma clula hija, quedando la otra clula hija sin el cromosoma representativo del par. El resultado es la produccin de un gameto que, o tiene un cromosoma extra, o uno menos.

Ligamiento

A principios del siglo XX se encontraron casos que discrepaban con el principio de la segregacin independiente de Mendel. Estos casos se utilizaron como respaldo para la teora cromosmica, pues plantearon un problema muy difcil: sera la proporcin de la generacin F2 de los cruces dihbridos 9:3:3:1, cuando los genes se localizan en cromosomas diferentes, o 3:1, cuando se localizan en un mismo cromosoma.

La solucin de este problema se encuentra en el entrecruzamiento que ocurre durante la meiosis. Supngase que estudiamos dos caractersticas, una determinada por los genes A (dominante) y a (recesivo) y otra por los genes B (dominante) y b (recesivo). Supngase adems, que los genes de esas dos caractersticas se encuentran en el mismo cromosoma pero la localizacin de A (o a) corresponda a uno de los extremos del cromosoma y la de B (o b) a otro extremo.

Los nuevos ligamientos se llaman recombinaciones. Si de tales gametos se forman cigotos, las dos caractersticas dominantes no siempre resultan asociadas lo que ocurre tambin con los dos recesivos. Por el contrario, algunos cigotos presentan combinacin de genes dominantes con genes recesivos (Ab y aB). En lugar de presentarse dos clases de fenotipos con la proporcin 3:1 representan cuatro clases, en una proporcin muy diferente a 9:3:3:1.

HERENCIA HUMANA

Los bilogos han aprendido bastante sobre la fisiologa de nuestro cuerpo, partiendo del estudio de otras especies como los caballos, las ratas y los sapos; y no hay razn para suponer que la herencia en el hombre no siga los mismos principios de los conejos o la Drosophila. Pero estos principios no nos dicen nada acerca de las caractersticas especificas. Sabemos que el pelo negro de los caballos es dominante respecto al pelo castao, pero esto no es vlido en los conejos. No podemos hacer predicciones acerca de la herencia de una caracterstica en una especie, si estudiamos dicha caracterstica en otra especie. Cada caracterstica debe ser estudiada independientemente en cada especie.

Gentica de algunas caractersticas humanas

En base al estudio de muchas geneologas, los genetistas han obtenido considerable informacin acerca de los cientos de caractersticas humanas hereditarias. Estamos todava lejos de comprender los genes humanos en forma tan completa como en el caso de la mosca de la fruta y, probablemente, pasaran muchos aos para lograrlo. A continuacin daremos algunos ejemplos.

El Sexo

La determinacin del sexo humano, como en el caso de la Drosophila, se debe a la herencia de un "cromosoma completo". Los hombres tienen un cromosoma X y uno Y, en tanto que las mujeres tienen dos cromosomas X. Puesto que los mamferos y los insectos (organismos muy diferentes) poseen este tipo de herencia sexual, podra pensarse que pasa lo mismo con todos los animales, pero no es as, en las aves, las hembras poseen un cromosoma X y otro Y; y los machos dos cromosomas X.

Grupos Sanguneos

Probablemente ninguna otra caracterstica humana se conoce tanto como los grupos sanguneos. Cuando se desarrollaron las tcnicas de las transfusiones sanguneas en los humanos, hacia finales del siglo diecinueve, se descubri que podan hacerse en unos casos sin peligro en tanto que otros no. El mdico austraco Karl Landsteiner descubri un sistema para distinguir los diversos tipos sanguneos que tuvo mucha importancia en las transfusiones sanguneas. Se distinguieron los tipos A, B, AB y O. Se ha clasificado la sangre de millones de personas en los hospitales de todo el mundo. A partir de estos datos, se ha deducido la herencia de los grupos sanguneos.

Los tipos "ABO" estn determinados por genes de un mismo locus, pero en las poblaciones humanas hay tres alelos que son: el gene Ia, responsable de la formacin del factor sanguneos "A"; el gene Ib , del factor sanguneo "B" y el gene i, que no causa ninguno de los factores anteriores. En la tabla que damos a continuacin, se ilustra la forma como se combinan los alelos para producir los diferentes tipos sanguneos.

Combinacin de los genes

Tipos sanguneos

Ia Ia Ia i

TIPO A

Ib Ib Ib i

TIPO B

Ia Ib

TIPO AB

i i

TIPO O

Mongolismo

Esta forma de idiotez, acompaada de una apariencia facial caracterstica, resulta de la no separacin de un par de cromosomas durante la formacin de los gametos en la meiosis. El cigoto formado por uno de tales gametos tiene tres de los cromosomas distinguidos con el nmero 21. Esta meiosis anormal aparece con ms frecuencia en los padres de mayor edad que en los padres jvenes.

Sndrome de Klinefelter

Es un desorden gentico en que la constitucin gentica de los cromosomas del sexo es XXY. Una persona con esta condicin es un macho estril. El sndrome ocurre en uno de cada mil nacimientos de varones, como resultado de un desorden gentico en la no disyuncin de los cromosomas sexuales.

Sndrome de Turner

Es otra condicin originada por la no disyuncin de los cromosomas del sexo, la constitucin gentica es XO. La O indica la ausencia de un cromosoma del sexo. Las personas afectadas son hembras de baja estatura con dobleces caractersticos en el cuello. El sndrome de Turner ocurre en uno de cada diez mil nacimientos de nias. Por qu la frecuencia del sndrome de Turner es menor que la del sndrome de Klinefelter? El sndrome de Turner es el resultado de la ausencia de un cromosoma. A veces, la falta de un cromosoma interfiere con el desarrollo embrionario de modo que nunca se completa.

En muchos casos, las alteraciones cromosmicas son perjudiciales a la salud del organismo. La presencia o ausencia de un cromosoma puede alterar el funcionamiento normal de un organismo. Si la no disyuncin ocurre en uno de los cromosomas ms grandes, el desarrollo embrionario casi nunca se completa. Se dice que estos tipos de no disyuncin son letales (mortferos).

Color de la piel

La cantidad de pigmentacin oscura est controlada por genes que ocupan de cuatro a ocho loci sin rasgo dominante en ningn locus, de modo que son posibles diversos grados de coloracin de la piel.

En ciertos individuos los pigmentos rojos y amarillos adicionales estn controlados por otros genes. Los factores del ambiente (luz solar, por ejemplo) alteran la cantidad de pigmento oscuro.

Resistencia a la tuberculosis

Probablemente muchos genes, as como las condiciones ambientales, juegan un papel importante en el establecimiento de esta caracterstica.

Inteligencia

Este aspecto es de difcil investigacin. En primer lugar, no estamos seguros de si la inteligencia es una sola caracterstica o la combinacin de varias caractersticas, lo que parece ms probable. Adems, los resultados de las pruebas de inteligencia no constituyen una indicacin segura de lo que denominamos "inteligencia", pero parece claro que tanto la herencia como el ambiente, influyen en la inteligencia individual.

El Origen de Nuevas Caractersticas

Mutaciones

Las caractersticas hereditarias nuevas se llaman mutaciones. Las moscas de ojos blancos de Morgan, fueron seguramente producto de una mutacin. Pero no todas las caractersticas nuevas son mutaciones. Esto puede ilustrarse mediante el anlisis de la herencia de una caracterstica humana, la debilidad mental. Recordemos que es muy difcil analizar varias generaciones en la mayora de las familias. Algunos tipos de enfermedad mental resultan de genes recesivos que pudieron estar escondidos durante muchas generaciones. Por esta razn, la enfermedad puede parecer una caracterstica nueva en una familia, cuando en realidad es heredada. La falta de oxgeno durante el nacimiento, o inmediatamente despus, puede causar tambin la enfermedad. En este caso, la causa es un factor ambiental y no gentico y la siguiente generacin no heredar tal caracterstica. Finalmente, la debilidad mental puede ser producto de mutaciones. Cmo se originan las mutaciones ?. De acuerdo con la teora cromosmica de la herencia, deben resultar de los cambios en los cromosomas. Por lo tanto, se debe buscar los cambios visibles en los cromosomas y asociarlos con la aparicin de las nuevas caractersticas de los organismos. En realidad, esto fue lo que hizo Bridges cuando descubri la no disyuncin; pero, se han descubierto otros cambios cromosmicos adems de la disyuncin.

Ocasionalmente, parte de un cromosoma se puede unir a otro cromosoma o desprenderse y unirse de nuevo a su mismo cromosoma, pero en forma invertida, o perderse del todo. Tambin es posible que ocurran otros movimientos accidentales. Cuando tales accidentes ocurren se producen cambios en las caractersticas que portan los cromosomas afectados. Una vez que se efectuan cambios en los cromosomas, son transmitidos de generacin en generacin mediante la mitosis y la meiosis, es decir son heredados. Las mutaciones de este tipo reciben el nombre de mutaciones cromosmicas.

Algunos tipos de mutaciones ocurren frecuentemente sin ningn cambio aparente en los cromosomas; es posible que tales mutaciones se deban a cambios en los genes (invisibles) de los cromosomas, lo que parece bastante probable. Por ejemplo, un gene que normalmente contribuye a la formacin de un pigmento rojo, puede cambiar hacia un gene que produzca un pigmento prpura o bien, anular la capacidad de formar pigmento. Un gen que provoca la transformacin del azcar en almidn, en el grano de maz, puede cambiar haciendo que el azcar se acumule en dicho grano. Estas son mutaciones genticas.

La teora de las mutaciones genticas

Los experimentos de Mendel sealaron que los genes deben poseer tres propiedades:

a) Deben ser partculas separadas.

b) Deben transmitir la "informacin" de las caractersticas de una generacin a otra y

c) Deben ser capaces de auto-replicarse (auto-producirse) de modo que, al dividirse la clula, cada clula hija los contenga a todos.

Mendel no trat de dar mayores explicaciones sobre los genes, pero a partir de 1900 han intentado construir modelos de ellos. Durante los ltimos 15 aos, se han acumulado muchas pruebas, segn las cuales, los genes son molculas de cido desoxirribonucleico, DNA, o parte de este.

Desde hace largo tiempo, se sabe que el DNA est formado por nucletidos, pero la manera como stos se unen, tan slo se conoci en 1953. En base a los estudios con rayos X realizados por Wilkins, Watson y Crick, se propuso un modelo para el DNA: una cadena larga, doble, en espiral. Cada espiral es una banda de nucletidos unidos por enlaces entre la desoxirribosa y los grupos fosfatos. Las bandas se unen, por su parte, mediante los enlaces entre las bases de los nucletidos.

Este modelo del DNA tambin sirve para explicar cmo los genes llevan la "informacin". Las bases, a lo largo de cada banda del DNA, pueden tener cualquier secuencia: ACCT... TAGA... CGTT...ATCT...GCAA... Como la molcula es grande, el nmero posible de secuencias es casi ilimitado. Podemos concebir la disposicin de las bases del DNA, como un cdigo que transmite la "informacin" de una generacin celular a la siguiente.

La molcula del DNA, si el modelo de Watson y Crick es correcto, satisface los requisitos de los genes mendelianos: (a) es una partcula separada; (b) puede portar la "informacin"; (c) puede autoduplicarse.

Durante la mitosis y la meiosis cada molcula de DNA se auto-replica exactamente en toda su extensin. Pero, podemos suponer que, ocasionalmente, se efectan accidentes qumicos. Una de las bases podra destruirse o desaparecer dejando un vaco en el cdigo; o podra ser reemplazada por otra base, cambindose as el "significado", de la misma manera que cambia el significado de la palabra manga cuando la ltima "a" se reemplaza por "o". De este modo, la "informacin" trasmitida por la molcula alterada ser diferente a la de la generacin celular precedente. La nueva clula (o si se trata de un gameto, el nuevo individuo), tendr nuevas "instrucciones" para su desarrollo, resultando as una mutacin.

Genes letales

La mayora de las mutaciones son perjudiciales. Esto, a primera vista, puede parecer poco lgico, pero consideremos el asunto mediante una analoga. EL hecho de que una especie sea numerosa en su ambiente, indica que el conjunto de genes que posee est adaptado al medio. Si esto no fuera as, si el organismo no estuviera acoplado a su ambiente, se extinguira, o, por lo menos, estara en proceso de desaparecer. El individuo de una especie bien adaptada puede convivir adecuadamente con su medio a menos que este est cambiado.

Muchas mutaciones que ocurren en los gametos causan la muerte de los organismos que se forman de ellos. En tales casos, los genes mutantes se denominan genes letales, y pueden detener el desarrollo del individuo en diferentes estados: en el cigoto, en el embrin o en las etapas posteriores. Cuando la muerte ocurre antes del nacimiento (eclosin o geminacin) los genes letales reducen el nmero esperado de la descendencia y cambian la proporcin que se espera de los fenotipos.

Los Desordenes de las Mutaciones Genticas Humanas

Las mutaciones genticas humanas se producen por azar. En algunas ocasiones, el efecto de estas mutaciones es visible, como en el caso del albinismo. El albinismo se debe a una mutacin gentica que resulta en la ausencia de un pigmento llamado melanina. A un albino le falta el pigmento del pelo y de la piel y los ojos son rosados o de un azul plido; muy a menudo, las mutaciones genticas no producen efectos visibles, pero aun as siguen siendo parte del genotipo del organismo. Las mutaciones genticas que se encuentran en los gametos se transmiten de generacin en generacin.

La anemia drepanoctica, un desorden gentico que afecta la capacidad de los glbulos rojos para transportar oxgeno, es muy comn en personas cuyos antepasados eran del frica Occidental. Este desorden afecta a 1 de cada 350 negros americanos. Las personas afectadas tienen dos genes mutantes para la produccin de hemoglobina, que es el compuesto qumico que transporta oxgeno en los glbulos rojos. La hemoglobina anormal, llamada hemoglobina S, difiere de la hemoglobina normal, la hemoglobina A, en un aminocido. El gene mutante difiere del gene normal en una base. Los glbulos rojos anormales tienen forma de hoz, son muy frgiles y muy poco eficientes para transportar oxgeno. Por su forma bloquean los vasos sanguneos pequeos y causan hinchazn y dolor.

La fenilcetonuria (PKU) comprende un gen mutante que es incapaz de sintetizar una enzima necesaria para convertir el aminocido fenilalanina en tirosina. Los productos anormales del metabolismo de la fenilalanina se acumulan en la corriente sangunea. Estos productos perjudican las clulas del cerebro de los bebs y, eventualmente, causan retardo mental.

El sndrome de Tay-Sachs es un desorden gentico que incluye la incapacidad de un gen mutante para sintetizar una enzima que evita la acumulacin de lpidos en las clulas del cerebro. A medida que se van acumulando los lpidos, empieza a destruirse el sistema nervioso. Un gen recesivo causa la enfermedad. Para que la enfermedad se exprese en su hijo, los dos padres deben tener el gen recesivo para ella. El sndrome de Tay-Sachs es muy frecuente entre judos cuyos antepasados eran de la Europa Oriental. Los nios que padecen la enfermedad mueren a una edad temprana. No hay cura para ella.

Algunos genes mutantes se encuentran en los cromosomas sexuales. Las enfermedades causadas por estos genes se llaman desrdenes ligados al sexo. La hemofilia es un desorden ligado al sexo causado por un gen recesivo. Su sntoma principal es un fallo en la coagulacin de la sangre. El gen mutante para la hemofilia est solamente en el cromosoma X. No parece haber un alelo correspondiente en el cromosoma Y. La hemofilia es ms frecuente en los varones que en las mujeres.