Un "poco" de ciencias de la vida...

La genética es la disciplina que estudia la herencia biológica e intenta explicar los mecanismos que rigen la transmisión de los caracteres de una generación a la siguiente, así como los mecanismos que conducen a la manifestación de tales caracteres.
Se suelen distinguir tres campos en genética:
- Genética clásica: estudia los mecanismos de transmisión de los caracteres hereditarios
- Genética molecular: estudia la naturaleza y estructura química de los genes, así como de su “funcionamiento” o expresión.
- Genética de poblaciones: se encarga del conocimiento de las frecuencias genéticas y genotípicas a lo largo de varias generaciones de las poblaciones.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Herencia biológica: conjunto de características morfológicas, fisiológicas y de comportamiento que son transmitidas de padres a hijos.

Gen: fragmento de ADN que contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína completa o de un polipéptido completo. Los genes están situados a lo largo de los cromosomas, ocupando cada uno un lugar o locus.

Genoma: conjunto de genes de una especie.

Los organismos diplontes poseen todas las células diploides(excepto los gametos), es decir, que poseen dos series de cromosomas, una heredada del padre y otra de la madre. Cada cromosoma de una serie tiene un homólogo en la otra serie; los cromosomas homólogos poseen los mismos loci, o sea, contienen genes para lo mismo, de modo que la célula posee dos series de genes homólogos (aquellos que ocupan lugares equivalentes en los cromosomas homólogos). Sin embargo, aunque la información contenida por ambos genes de una pareja de homólogos sirva para controlar un mismo carácter, no tiene porqué tratarse de la misma información. Así:
- Si contienen la misma información, el individuo es homocigótico o raza pura para la característica controlada por esos genes
- Si contienen diferente información el individuo es heterocigótico o híbrido para la característica controlada por esos genes.

Alelos : son las distintas informaciones que puede contener un gen determinado. Así:
- El individuo homocigótico para un carácter posee dos alelos iguales para ese carácter.
- El individuo heterocigótico para un carácter posee dos alelos distintos para ese carácter.

Genotipo: conjunto de toda la información genética que posee un individuo.
Fenotipo: manifestación observable de la información.
FENOTIPO = GENOTIPO + INFLUENCIA DEL AMBIENTE

Podemos distinguir distintas situaciones en relación con la herencia:
- Herencia dominante – recesiva: si la información apreciable en el fenotipo corresponde a uno solo de los dos alelos en heterocigosis, el alelo cuya manifestación se aprecia es el dominante y el que no se puede observar es el recesivo.
- Codominancia: si en el fenotipo se aprecian las dos informaciones, los alelos son codominantes.
- Herencia intermedia: si el fenotipo corresponde a una situación intermedia entre ambas informaciones.

Los caracteres hereditarios pueden ser de dos tipos:
- Cualitativos: varían cualitativamente. Ej: liso- rugoso
- Cuantitativos: de variación gradual, cuya herencia es más compleja. Ej: la estatura de las personas.

MENDEL

Gregor Mendel (1822- 1884), cuyo nombre original era Johann, estaba interesado especialmente en el problema de la herencia biológica. Entre 1856 y 1863 realizó una serie de experimentos que le permitieron formular las leyes sobre la transmisión de los caracteres hereditarios. Como material biológico empleó el guisante (Pisum sativum).
Los trabajos de Mendel no tuvieron repercusión inmediata, pero fueron redescubiertos en 1900 por De Vries, Correns y Tschermak reconociéndose entonces su verdadera importancia. Desde entonces se considera a Mendel como fundador de la genética moderna y con él inicia su andadura la genética clásica o mendeliana, que estudia los mecanismos de transmisión de los caracteres hereditarios. La teoría sobre la herencia de los caracteres se denomina mendelismo.

Experiencias con monohíbridos: 1ª y 2ª ley

Los individuos entre los que se produce el cruzamiento inicial constituyen la generación paterna (P1), y su descendencia constituye la primera generación filial (F1).
Uno de los caracteres estudiados por Mendel fue la forma de la semilla del guisante, que podía ser lisa o rugosa. Cruzó dos razas puras, una de semillas lisas y la otra de semillas rugosas, observando que la primera generación filial era uniforme formada por plantas “híbridas” de semilla lisa.
Al dejar que se autofecundasen las plantas de la primera generación filial, obtuvo una segunda generación filial formada por plantas con semillas lisas y plantas con semillas rugosas, en proporción de 3 a 1.
A partir de los resultados de la experiencia, constató que cuando se cruzan individuos de la misma especie pertenecientes a dos razas puras para un carácter dado, todo los individuos de la primera generación filial son iguales para ese carácter (Primera ley de Mendel).
En la segunda generación filial el carácter liso o rugoso de la semilla estaba determinado por un “factor”, de manera que cada individuo poseía dos de estos factores. El factor liso y el rugoso formarían pareja en los híbridos de la primera generación filial, predominando el liso sobre el rugoso. Estos híbridos forman semillas que tienen uno u otro de los factores, que se separan al formarse éstas. (Segunda ley de Mendel).

La formulación actual de las dos primeras leyes de Mendel es la siguiente:
1ª ley de Mendel o ley de la uniformidad de la primera generación filial: el cruce de dos razas puras distintas origina una descendencia uniforme, tanto en fenotipo como en genotipo.
2ª ley de Mendel o ley de la segregación de los caracteres en la segunda generación filial: los dos genes homólogos que forman pareja en los híbridos de la F1 se separan al formarse los gametos de éstos, como demuestran las proporciones obtenidas en la F2.

Pruebas para fenotipos

Los individuos homocigóticos dominantes (RR) y los híbridos (Rr) resultan fenotípicamente indistinguibles. ¿Cómo saber cuál es su genotipo?.
Para resolver casos como éste es necesario recurrir a las llamadas “pruebas para fenotipos”: la autofecundación y el retrocruzamiento.
La autofecundación es posible en casos de hermafroditismo, en el que los óvulos de una flor pueden ser fecundados por su propio polen. Según los fenotipos que se obtengan en la descendencia, así será el genotipo del progenitor.
En organismos unisexuales se aplica el retrocruzamiento, que consiste en el cruce del individuo problema con un homocigoto recesivo.

Experimentos con dihíbridos: 3ª ley de Mendel

Para realizar estas experiencias utilizó dos razas puras: guisantes de semillas amarillas-lisas (doble homocigótico dominante) y guisantes de semillas verdes-rugosas (doble homocigótico recesivo).
En la segunda generación filial aparecen los fenotipos amarillo-liso, amarillo-rugoso, verde-liso y verde-rugoso en proporción 9:3:3:1 respectivamente. Al fijarnos solo en un carácter, observamos que hay semillas amarillas y verdes en proporción 3:1, y las hay lisas en rugosas en proporción 3:1

3ª ley de Mendel o ley de la transmisión independiente: cada carácter se transmite a la descendencia con total independencia de los demás.

Excepciones a la 3ª ley
La 3ª ley de Mendel presenta una serie de excepciones en las que muchos caracteres no se transmiten independientemente, ya que los genes se encuentran en los cromosomas y, puesto que los organismos poseen mayor número de genes que de cromosomas, es evidente que cada cromosoma contiene varios genes. Así, puede suceder que los dos pares de genes homólogos que rigen dos caracteres distintos se encuentran situados sobre el mismo par de cromosomas homólogos.
Todos los genes que se encuentran en un mismo cromosoma se transmiten ligados,constituyendo un grupo de ligamiento.

HERENCIA MENDELIANA EN HUMANOS

Grupos sanguíneos
Cuando el número de alelos es superior a dos, se denominan alelos múltiples.
Un ejemplo es la herencia de los grupos sanguíneos A, B, AB y 0 en los humanos. Para este carácter existen tres alelos alternativos: A, B y i. Los alelos A y B son codominantes, mientras que el alelo i es recesivo.

Herencia del factor Rh
El factor Rh es un antígeno que se presenta en los glóbulos rojos de un 85% de las personas (Rh+) frente a un 15% aproximadamente que carece de él (Rh-).

TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA

En 1910 el norteamericano T.H.Morgan inició sus experimentos con la mosca del vinagre.
Morgan planteó la hipótesis de que el gen que determina el color de ojos en la mosca del vinagre está situado en el cromosoma X, mientras que el cromosoma Y no lo contiene. Se introducía así el concepto de caracteres ligados a sexo.

Teoría cromosómica
Las conclusiones de los trabajos de Morgan y su equipo constituyen la teoría cromosómica de la herencia, que puede resumirse así: los genes se encuentran situados linealmente en los cromosomas, ocupando cada uno un lugar (locus) determinado. Además, los cromosomas homólogos poseen los mismos loci, es decir, “lugares” equivalentes.

HERENCIA Y SEXO

Herencia del sexo

En el caso de la especie humana, de los 23 pares de cromosomas que posee nuestras células, 22 son iguales en el hombre y la mujer (autosomas), y el par 23 es diferente: son los cromosomas sexuales. Las mujeres poseen dos cromosomas X (XX), mientras que los varones poseen un cromosoma X y un cromosoma Y (XY).
El cromosoma Y es más pequeño y contienen mucho menos genes que el cromosoma X.
Al producirse la meiosis, los gametos sólo reciben un cromosoma sexual, de manera que:
- Un 50% de los espermatozoides poseerá el cromosoma X, y el otro 50% el cromosoma Y.
- El 100% de los óvulos contendrá un cromosoma X.

Cuando se produce la fecundación, se pueden dar dos casos:
- El óvulo (X) es fecundado por un espermatozoide portador del cromosoma X, por lo que el cigoto será XX y a partir de él se desarrollará una mujer.
- El óvulo (X) es fecundado por un espermatozoide portador del cromosoma Y, por lo que el cigoto será XY y a partir de él se desarrollará un varón.

Herencia ligada al sexo

Algunos caracteres hereditarios se transmiten a la descendencia ligados al sexo.
En los seres humanos, los cromosomas X e Y poseen dos partes o segmentos:
- segmento homólogo: contiene los mismos genes en ambos cromosomas
- segmento diferencial: contiene genes diferentes en cada uno

Los alelos recesivos que se encuentren situados en el segmento diferencial del cromosoma X se expresarán siempre en el fenotipo de los varones que los porten, puesto que carecen de otro cromosoma X que pudiesen contener otro alelo.
En cuanto a las mujeres, los alelos recesivos del segmento diferencial del cromosoma X se comportarán como cualquier otro gen, puesto que existen dos cromosomas X.
Uno de los caracteres más famosos de entre los ligados al sexo es la hemofilia, una deficiencia en la coagulación de la sangre que es causada por un gen recesivo ligado al cromosoma X.

NÚCLEO CELULAR

La característica definitoria de la célula eucariota es la presencia de un núcleo definido, rodeado por una envoltura nuclear. El núcleo contiene casi todo el ADN de la célula eucariota, con la única excepción de los pequeños fragmentos de ADN de mitocondrias y plastos.
El núcleo solo existe durante el período de la interfase, en el que consta de:
- La envoltura
- El jugo nuclear o nucleoplasma
- El nucléolo
- La cromatina

Envoltura nuclear

Forma parte del sistema de membranas interno ya que se continúa con las membranas del retículo endoplasmático. Está formada por una membrana doble, constituida por dos membranas unitarias, de unos 75 Ǻ de espesor cada una, separadas por una cámara central o cisterna perinuclear de unos 200 Ǻ. Se encuentra entrelazada por dos redes de filamentos intermedios: una lámina fina por la cara interna (lámina nuclear) que constituye el soporte de la membrana nuclear interna y por la cara externa una capa de filamentos menos organizados rodeando la membrana nuclear externa.

La lámina nuclear es una red proteica de filamentos formados por unas proteínas denominadas lamininas; que desempeña un importante papel en la organización de la envoltura nuclear y en las interacciones entre ésta y la cromatina.

La función de la envoltura nuclear es actuar como barrera selectiva, regulando los intercambios entre núcleo y citoplasma. Es permeable a muchas sustancias y presenta una serie de poros (estructuras dinámicas que poseen una serie de elementos proteicos asociados) que comunican el contenido nuclear con el citoplasma.

Nucleoplasma o jugo nuclear

Está constituido por una sustancia coloidal incolora y contiene proteínas (especialmente enzimas), coenzimas, precursores y otras sustancias.
Se trata de la fase acuosa del núcleo, en la que están inmersos la cromatina y el nucleolo.

Nucleolo

Es un gránulo no delimitado por membrana que se encuentra en el interior del núcleo celular, pudiendo llegar a ocupar hasta el 25% del volumen nuclear.
Esta formado por la asociación de todas las secuencias de ADN que codifican ARNr, que se encuentran en fibras de cromatina pertenecientes a uno o más cromosomas (cromosomas nucleolares), constituyendo el organizador nucleolar de cada uno de éstos.
Su función es la síntesis de ARNr.

Cromatina

La cromatina es una sustancia de carácter ácido, que se encuentra en masas de cromatina inmersas en el nucleoplasma.
Es una nucleoproteína cuyo grupo prostético es el ADN, que se encuentra asociado a histonas (formando nucleosomas), aunque en el núcleo de los espermatozoides de muchas especies éstas son sustituidas por protaminas.

Tipos:
- Eucromatina: cromatina difusa en la que las fibras de ADN se encuentran poco plegadas facilitando así su transcripción por la ARNpol.
- Heterocromatina: cromatina condensada que no puede ser transcrita por la ARNpol.
- Constitutiva: no se expresa nunca
Facultativa: se expresa durante determinadas etapas del desarrollo celular, ya que puede relajarse y pasar a ser eucromatina.

Su principal función es la expresión de la información genética que contiene, aunque cumple otras como el almacenamiento de la información genética, la participación en el proceso de autoduplicación del ADN y condensarse durante la división celular para formar cromosomas.

Cada fibra de cromatina corresponde a una molécula de ADN. El número de éstas es constante en cada especie (el ser humano posee 46) y al inicio de la división celular cada una se condensa para dar lugar a un cromosoma.

La cromatina se condensa formando los cromosomas

Cuando la célula inicia una división, las masas de cromatina se concentran para dar lugar a unas estructuras individualizadas denominadas cromosomas.

Cromosomas

Son los encargados de transmitir la información genética a las células hijas durante la división de la célula eucariota.
Su tamaño es variable según la especie y su forma suele ser de bastoncillo; manteniéndose ambas cualidades constantes para cada cromosoma en particular.
El momento idóneo para la observación de su estructura es durante la metafase y la anafase:

- Los cromosomas metafásicos aparecen divididos longitudinalmente en dos cromátidas idénticas, que se mantienen unidas por un estrangulamiento llamado constricción primaria, donde se sitúa el centrómero, que contiene el cinetócoro. La constricción primaria divide cada cromátida en dos brazos, que pueden contener constricciones secundarias generalmente relacionadas con el organizador nucleolar, al que separan del resto del cromosoma para formar unas terminaciones esferoidales (satélites).

- Los cromosomas anafásicos están formados por una sola cromátida (que corresponde a una molécula hija de ADN)

La cromatina de los cromosomas es transcripcionalmente inactiva, aunque existen algunas regiones especializadas: cromómeros, centrómero y organizador nucleolar.

La posición relativa del centrómero permite distinguir varios tipos de cromosomas:

* Metacéntricos: el centrómero divide a las cromatidas en dos brazos de igual longitud
* Submetracéntrico: los brazos son ligeramente desiguales
* Acrocéntricos: con un brazo notablemente más largo que el otro
* Telocéntricos: con un solo brazo, situándose el centrómero en posición terminal
* Puntiformes: tienen forma de punto y son los de menor tamaño.

Los cromosomas pueden identificarse mediante la técnica de bandeo cromosómico: al teñirlos, aparecen unas bandas teñidas fuertemente (heterocromatina) alternadas con otras más claras (eucromatina). La disposición de tales bandas es característica de cada cromosoma.
La forma y tamaño del cromosoma, y la disposición de sus bandas sirven para distinguirlo entre todos los que forman el cariotipo (conjunto de cromosomas de una especie), cuya representación ordenada se denomina idiograma.

Todas las células de todos los individuos de una misma especie tienen el mismo número de cromosomas.

Casi todos los organismos eucariontes poseen en sus células un nº par de cromosomas, integrado por dos series de éstos (dotación diploide, 2n). La dotación diploide está formada por parejas de cromosomas homólogos que contienen información para los mismos caracteres. Los gametos siempre poseen una sola dotación (haploides, n)

La individualidad de los cromosomas persiste durante la interfase, cuando se encuentran en forma de cromatina, ya que cada uno corresponde a una molécula de ADN.

DIVISIÓN CELULAR MITÓTICA

La mitosis o cariocinesis es el proceso por el que el núcleo de una célula eucariota da lugar a dos núcleos hijos con idéntica dotación cromosómica que el núcleo progenitor; y se acompaña normalmente de la división del citoplasma (citocinesis), recibiendo el conjunto la denominación de división celular mitótica.

División celular mitótica = mitosis + citocinesis

Mitosis

Se divide en cinco fases:

1º.Profase:

Los cromosomas se espiralizan conforme se va concentrando la cromatina

El nucleolo se va haciendo más difuso hasta desaparecer

Cada pareja de centriolos va a un polo de la célula y entre ellos se establece el huso acromático, estructura compuesta por microtúbulos que tiene la finalidad de facilitar el reparto de los cromosomas. En las células vegetales el huso se forma entre dos casquetes polares.

2º.Prometafase

La envoltura nuclear se rompe formando pequeñas vesículas.

Se diferencian varios tipos de microtúbulos:
- del huso:
*Cinetocóricos: atraídos por los cinetócoros
*Polares: resto de los del huso
- exteriores al huso:
* Astrales

En cada cromosoma, los microtúbulos cinetocóricos lo mueven hacia el plano ecuatorial de la célula.

3º.Metafase

Los cromosomas se sitúan en el plano ecuatorial de la célula, formándose la estrella madre o placa ecuatorial, en la que los cromosomas se mantienen en tensión porque cada cromátida “es estirada” hacia un polo.

4º.Anafase

Los cinetórocos de las cromátidas hermanas se separan y éstas pasan a ser cromosomas hijos. Entre los dos conjuntos de cromosomas hijos queda una región que divide simétricamente el huso (interzona).

Los filamentos del huso se van a cortando, arrastrando hacia cada polo un cromosoma hijo de cada pareja

La interzona se va alargando

Los microtúbulos cinetocóricos desaparecen

5º.Telofase

Al inicio hay un juego de cromosomas hijos en las inmediaciones de cada polo.

Los cromosomas hijos se desespiralizan tomando aspecto de cromatina.

Se forman envolturas nucleares alrededor de los núcleos hijos.

Citocinesis

En algún momento de la anafase o de la telofase se inicia la división del citoplasma (citocinesis):
En las células animales se produce por segmentación: un anillo contráctil formado por filamentos de actina y de miosina se contrae y produce una estrangulación del citoplasma.
En las células vegetales tiene lugar un tabicamiento como consecuencia de la formación de un nuevo segmento de pared y membrana celular.

CICLO CELULAR

Al finalizar la división celular mitótica, cada célula hija entra en un período denominado interfase, en el que se distinguen tres etapas:

1º.Período G1 (posmitótico): se produce un crecimiento general de la célula
2º.Período S: se duplican los centriolos y el ADN, y se sintetizan las histonas necesarias para unirse al ADN recién sintetizado.
3º.Período G2 (premitótico): se prepara para la división que va a iniciarse.

Al conjunto formado por la división celular mitótica y la interfase se le denomina ciclo celular.

Ciclo celular = interfase + división mitótica.

MEIOSIS

Tiene lugar solamente en los organismos con reproducción sexual. Es un tipo especial de división celular que posibilita la obtención de células con una dotación cromosómica igual a la mitad de la de la célula progenitora.
Los organismos sexuales nos desarrollamos a partir de una célula huevo diploide (cigoto) formado al fusionarse los núcleos de los gametos, los cuales son células haploides (poseen un único juego de cromosomas). En caso contrario, el número de cromosomas se duplicaría cada generación.
Durante la meiosis, una célula diploide sufre dos divisiones celulares consecutivas, originando cuatro células haploides.

Meiosis = primera división meiótica + segunda división meiótica.

Primera división meiótica

1º.Profase I:

Es la fase más larga de la meiosis:
- Espiralización del material hereditario apareciendo los cromosomas
- Desaparición de la envoltura nuclear y del nucléolo
- Duplicación de los centríolos - Formación del huso acromático
- Los cromosomas homólogos se aparean e intercambian fragmentos de ADN (fuente de variabilidad genética ya que se pueden formar infinidad de cromosomas hijos a partir de los mismos progenitores)

Se divide en cinco períodos:
1.Leptoteno: los cromosomas se hacen visibles
2.Zigoteno: los cromosomas homólogos se aparean longitudinalmente (sinapsis meiótica)
3.Paquiteno: las parejas de homólogos se denominan tetradas. La proximidad de las cromátidas permite que establezcan ptos de contacto (quiasmas) e intercambiar segmentos de ADN (entrecruzamiento), que tiene como consecuencia la recombinación formándose cromátidas de nueva composición.
4.Diploteno: los cromosomas homólogos se van separando, permaneciendo unidos por los quiasmas.
5.Diacinesis: separación total de los cromosomas homólogos.

2º.Metafase I
- Huso acromático totalmente formado
- Cromosomas en el plano ecuatorial formando la estrella madre

3º.Anafase I
- Los filamentos del huso se acortan
- No se produce la división de los cinetócoros
- Cada cromosoma de una pareja de homólogos se va a un polo (en la mitosis se iba una cromátida de c/cromosoma y aquí un cromosoma de c/pareja de homólogos) --> las células hijas tendrán la mitad de cromosomas, uno de c/pareja.

4º.Telofase I y citocinesis
- Se reconstruyen los núcleos de las células hijas
- Se divide el citoplasma (citocinesis)
- Las células formadas poseen un solo juego de cromosomas (la mitad de cromosomas que la progenitora).

Segunda división meiótica

Tras la primera división meiótica comienza la segunda división meiótica, que es similar a una división mitótica normal, salvo que no ha sido precedida por una duplicación del ADN.
Consta de cuatro fases:
1º.Profase II
2º.Metafase II
3º.Anafase II
4º.Telofase II

LA APOPTOSIS

Las células animales necesitan recibir señales químicas de otras células para proliferar y también para sobrevivir. Una célula que deja de recibir esas señales activa unas instrucciones de suicidio y muere por muerte celular programada o apoptosis.
La muerte celular programada es limpia y no daña a las células vecinas; es un proceso habitual y benigno si no aparecen anomalías. Lo que resulta peligroso es la proliferación y la supervivencia incontroladas de las células.