Genética
aplicada a la Biotecnología: Leyes de Mendel
En el siglo XIX, el monje austriaco Gregor Mendel, una persona
curiosa y metódica, se propuso averiguar cómo se transmiten los caracteres de
padres a hijos. ¿Cómo lo hizo? En el jardín del monasterio donde vivía, dedicó
varios años a estudiar metódicamente la herencia en las plantas de arvejas. Los
experimentos de Mendel, la metodología aplicada, la elección de los caracteres
estudiados, el significado de sus leyes y la importancia de sus descubrimientos,
fueron determinantes para el desarrollo de la genética. A su vez, la genética
fue esencial para el desarrollo de la biotecnología (ver Cuaderno nº 3 y 20).
La genética clásica tiene actualmente importantes aplicaciones en los
desarrollos de biotecnología.
Los
experimentos de Mendel
Mendel eligió el material adecuado para
su investigación, diseñó cuidadosamente los experimentos, recolectó una enorme
cantidad de datos y utilizó el análisis estadístico para analizarlos. El método
científico así aplicado (ver Cuaderno nº 61) le permitió publicar sus
resultados con la formulación de las Leyes que explican la herencia de
caracteres de una generación a otra. Sin embargo, sus resultados sólo fueron
reconocidos y retomados 30 años después de su muerte, a comienzos del siglo XX.
El material
biológico
Mendel utilizó
las arvejas o guisantes de jardín (Pisum sativum) por dos razones
principales. En primer lugar, las podía conseguir en los mercados de semillas
en una amplia variedad de formas y colores que le facilitaban la identificación
y el análisis. Mendel estudió siete caracteres distintivos que se muestran en
la Figura 1. La segunda razón es que esta planta puede autofecundarse
como así también cruzarse con el polen de otra planta (fecundación
cruzada).
Figura 1: Las siete características morfológicas
de los guisantes estudiadas por Mendel: tipo de tallo (alto o corto),
posición de la flor (terminal o axial), color de los pétalos (púrpura o
blanco), forma de la vaina (‘infladas’ o ‘contorneadas’), color de la vaina
(verde o amarilla), forma de las semillas (lisas o rugosas) y color de las
semillas (verdes o amarillas). Fuente: http://www.biologia.edu.ar/genetica/genet1.htm#mendel
|
Además, estos
guisantes son baratos y fáciles de obtener, requieren poco espacio para crecer,
tienen un tiempo generacional relativamente corto y producen mucha
descendencia. Todas estas características son las ideales para un organismo
modelo (ver Cuaderno nº 50) de estudio genético.
Las plantas que
utilizó para sus ensayos eran líneas puras. Una línea pura es un linaje
que mantiene constante un carácter en todas las generaciones; es decir: todos
los descendientes (por autofecundación o por fecundación cruzada con plantas de
la misma línea) muestran el mismo carácter sin variaciones. Por ejemplo: todos
tienen el mismo color de pétalos a lo largo de generaciones. Mendel obtuvo
siete pares de líneas puras: uno para cada variante de cada uno de los
caracteres que se propuso estudiar. Cada variante se denomina variante de un
carácter o fenotipo (fenotipo flor blanca, fenotipo semilla rugosa,
etc.).
Fig.2.
Generación parental y filial 1 para el carácter color de semilla.
|
Diferencias en un solo carácter: cruzas monohíbridas
1. Obtención de la primera generación filial (F1)
En uno de sus ensayos Mendel polinizó una planta de semillas
verdes con polen de una planta de semillas amarillas, como muestra la Figura 2.
Ambas plantas diferían en esa sola característica y eran “puras” para ese
carácter. Estas plantas de líneas puras conforman la generación parental (P).
Es decir que pertenecen a un linaje en el cual todas las plantas tienen ese
mismo color de semilla, y ningún integrante de la familia tendrá otro color de
semilla. Mendel observó que cuando cruzaba especies “puras” de plantas con
semillas amarillas, con especies puras de semillas verdes, todos los
descendientes en la primera generación (F1) tenían semillas amarillas. Esta
generación de descendientes (las plantas hijas) se denomina generación
filial 1 (F1). Las subsiguientes generaciones producidas por
autofecundación se las simboliza F2, F3, etc.
Similares ensayos
hizo con las otras líneas que mostraban diferencias fenotípicas en los
restantes seis caracteres. Los resultados para todos los ensayos se detallan en
la Tabla 1.
En conclusión: los individuos de cada F1 eran iguales entre sí en la
característica estudiada y mostraban el fenotipo de uno de sus parentales. A
esta sentencia se la conoce como la Ley de la uniformidad de la primera generación filial (F1) y establece que cuando se cruzan dos individuos de líneas puras
que difieren en un carácter determinado, todos los individuos de la primera
generación (F1) serán iguales entre sí (o uniformes). A estos individuos Mendel
los denominó híbridos, y cuando en un cruzamiento sólo existe diferencia
en un solo carácter, a ese cruzamiento y a esos descendientes se los denomina monohíbridos.
Fenotipos
parentales
|
F1
|
|
1
|
Semillas lisas x
rugosas
|
Todas lisas
|
2
|
Semillas
amarillas x verdes
|
Todas amarillas
|
3
|
Pétalos púrpura
x blancos
|
Todos púrpura
|
4
|
Vainas infladas
x contorneadas
|
Todas infladas
|
5
|
Vainas verdes x
amarillas
|
Todas verdes
|
6
|
Flores axiales x
terminales
|
Todas axiales
|
7
|
Tallo largo x
corto
|
Todos largos
|
Tabla 1: Resultados de la filial 1 (F1) de los
cruzamientos monohíbridos para los siete caracteres.
Una de las primeras observaciones de Mendel al hacer sus
cruzas entre plantas “puras” que diferían en un carácter fue que la primera
generación presentaba una de las dos características de los padres (semillas de
color amarillo, en este caso). Sin embargo, la otra característica (color
verde) aparentemente “desaparecía”. ¿Era realmente que esta variante del color
desaparecía? ¿O podría estar “oculta”? La respuesta a esta pregunta llegó
cuando Mendel cruzó entre sí plantas de la generación F1, y obtuvo la
generación F2.
Obtención
de la segunda generación filial (F2)
Mendel permitió la autofecundación de las
plantas F1 y plantó las semillas obtenidas para analizar el fenotipo de la
descendencia (F2). Cuidadosamente contó (cuantificó) los resultados,
aplicó la estadística a las observaciones sobre herencia y estableció
proporciones. Con esto sentó las bases de la genética moderna. Al analizar los
descendientes en F2 notó que volvía a surgir el fenotipo ausente en F1 (verde).
Además, ambos fenotipos se manifestaban siempre en una proporción constante: ¾
de las plantas mostraban el fenotipo que se observó en F1 (semillas amarillas),
y el ¼ restante mostraba el fenotipo que había “desaparecido” en F1, es decir
semillas verdes, como se muestra en la Figura 3. También hizo lo mismo con los
otros grupos de plantas que diferían en las otras seis características (Tabla
2).
Figura 3: Obtención de la F2 por autofecundación de la F1
Fenotipos parentales
|
F1
|
F2
|
Proporción
|
|
1
|
Semillas lisas x rugosas
|
Todas lisas
|
5474 lisas; 1850 rugosas
|
2,96:1
|
2
|
Semillas amarillas x verdes
|
Todas amarillas
|
6022 amarillas; 2001 verdes
|
3,01:1
|
3
|
Pétalos púrpura x blancos
|
Todos púrpura
|
705 púrpura; 224 blancos
|
3,15:1
|
4
|
Vainas infladas x contorneadas
|
Todas infladas
|
882 infladas; 299 contorneadas
|
2,95:1
|
5
|
Vainas verdes x amarillas
|
Todas verdes
|
428 verdes; 152 amarillas
|
2,82:1
|
6
|
Flores axiales x terminales
|
Todas axiales
|
651 axiales; 207 terminales
|
3,14:1
|
7
|
Tallo largo x corto
|
Todos largos
|
787 largos; 277 cortos
|
2,84:1
|
Tabla 2: Resultados de F1 y F2 de los cruzamientos
monohíbridos para los siete caracteres.
Es
decir que la alternativa verde que aparentemente había “desaparecido” en la primera
generación (F1), reaparecía en la segunda (F2). Esto indicaría que el color
verde no había “desaparecido” en F1 sino que permanecía “oculto” frente al
color amarillo que predominaba. A la alternativa que aparecía en la primera
generación Mendel la llamó dominante y a la alternativa que
permanecía “oculta” la llamó recesiva.
El hecho de que el factor recesivo estuviera presente en F1,
aunque oculto por el factor dominante, le permitió a Mendel concluir que cada
característica está determinada por dos “factores” que se heredan de los
progenitores. Es decir que las plantas de F1, aunque manifestaban solo el
color amarillo (dominante) en sus semillas, eran portadoras de ambos factores,
el dominante que le aportó uno de sus progenitores y el recesivo que le aportó
el otro. Además, al comprobar que el factor “oculto” reapareció en F2, Mendel
consideró que los factores hereditarios no se mezclaban. Es decir, el resultado
de la combinación de dos factores para una característica, no es la fusión de
los factores de sus progenitores sino que ambos factores se mantienen de forma
independiente y así se transmiten a la siguiente generación.
Para representar los resultados de Mendel, a cada uno de los
“factores” se le asigna una letra, en mayúscula para el dominante y la misma
letra en minúscula para el factor recesivo. A partir de esto, la primera cruza
de la experiencia anterior podría expresarse de la siguiente forma:
Figura 4: La letra A representa el factor que
determina el color de semilla amarillo que es dominante sobre el factor
recesivo representado por la letra a, que determina el color verde. La letra X simboliza la cruza.
Genes y alelos
Las leyes de la genética que surgieron a partir de los trabajos de
Mendel, y que se aplican a todos los individuos, postulan (en itálicas se
dan las explicaciones modernas a las conclusiones de Mendel):
- Los determinantes de la
herencia son de naturaleza particulada (no por fusión, como se proponía
hasta ese entonces), y Mendel los llamó “factores”. Hoy en día se llaman
‘genes’.
- Cada organismo tiene dos copias
de cada factor (dos variantes para cada gen). A las distintas variantes de cada gen
se las llama alelos (por ejemplo, para el gen que
determina color de semilla existe dos alelos, uno determina color verde y
el otro determina color amarillo). Si un individuo tiene los dos alelos
iguales el individuo es homocigota para esa característica, y si
tiene alelos diferentes se denomina heterocigota o híbrido para esa característica.
Los individuos homocigotas, a su vez, pueden ser homocigotas dominantes,
si ambos alelos son los dominantes, u homocigotas recesivos. Así, los
individuos F1 son heterocigotas y portan un alelo dominante y el otro
recesivo, y su fenotipo muestra al dominante, y en la F2 se obtiene una
mezcla de ¼ homocigotas dominantes, ½ heterocigotos y ¼ homocigotas
recesivos.
- Los dos factores
correspondientes a un caracter (los dos alelos de un gen) segregan
(se separan) con igual probabilidad a cada gameta. Consecuentemente, cada
gameta lleva una sola variante de cada factor al azar (un solo alelo
para cada gen).
- La unión de las gametas para
formar la cigota de un nuevo individuo ocurre al azar, es decir: las
gametas se combinan indistintamente de la información que llevan.
Es decir que, en un individuo diploide, para cada gen existen
dos fragmentos de ADN, o alelos, cada uno de los alelos en cada
cromosoma del par homólogo correspondiente, y que son los que aporta cada
progenitor en la fecundación a partir de la unión de sus gametas. Por lo tanto,
cada gen está integrado por dos alelos, y cada alelo es una variante de
un gen.
A la combinación de alelos que constituyen un gen se lo
denomina genotipo. Y a la característica que se manifiesta en el
individuo se la denomina fenotipo. De esto se concluye que el fenotipo
para cada característica depende del genotipo.
La siguiente
tabla representa los posibles genotipos para el color de semilla en las plantas
de Mendel y los fenotipos correspondientes:
Tabla 3: Genotipos y fenotipos para el color de la
semilla
Al ocurrir la meiosis, los dos alelos de cada gen se separan.
Cada gameta es portadora de un alelo del gen. Al producirse la fecundación,
cada gameta aporta uno de los alelos. Como resultado, el hijo tendrá en el gen
que determina esta característica dos alelos, uno proveniente del padre y otro
de la madre.
En este caso, los descendientes en F1 tienen el genotipo
heterocigota, Aa. Cuando se cruzan entre sí dos integrantes de F1 (o por
autofecundación), cada uno puede producir en la meiosis dos tipos de gametas,
unas que portan el alelo dominante (A) y otras que portan el alelo
recesivo (a).
En el siguiente cuadro, denominado Cuadro
de Punnet, se muestran las diferentes combinaciones posibles de genotipos
que se obtendrían en F2, según cuáles son las gametas que intervienen en la
fecundación. Según las diferentes posibles combinaciones de gametas, se puede
calcular las probabilidades de los diferentes genotipos y fenotipos en la
siguiente generación (ver el Cuaderno Nº 38). En la fila y en la columna se
escriben las gametas de ambos progenitores y en las celdas se combinan sus
alelos. En la próxima generación, como muestra el cuadro, ¾ de los
descendientes serían de color amarillo y ¼ sería de color verde, tal como había
concluido Mendel. La relación de genotipos, en este caso, sería: 1 AA : 2 Aa : 1 aa, para esta
característica particular.
Tabla 4: Cuadro de Punnet para las gametas
F1 con la posible descendencia F2 y sus probabilidades fenotípicas y
genotípicas.
Proporciones de genotipos y de fenotipos
La genética
consiste en probabilidades estadísticas. Estas probabilidades se pueden
expresar en proporciones numéricas (por ejemplo: 3 de 4), o en porcentajes (por
ejemplo, el 75%). En ambos casos (el 4 o el 100%) representa el total de los
integrantes que componen la muestra en estudio,
un número n de integrantes.
Proporciones
Fenotípicas: 3/4 amarillas
: 1/4 verde (3:1 dominante: recesivo)
Proporción de genotipos
1:2:1
|
Proporciones
Genotípicas: 1/4 amarillas homocigota dominante
2/4 amarillas heterocigota
1/4 verde homocigota recesivo
Las proporciones también pueden expresarse en porcentajes, como
probabilidades del 100% de la descendencia:
Fenotípicas: 75% dominantes : 25% recesivos
Genotípicas: 25% homocigota dominante : 50% heterocigota
: 25% homocigota recesivo.
Cruzamientos
prueba o retrocruzamientos
Con todos
estos datos, Mendel ya estaba en condiciones de poder formular una ley que
explicara los patrones de herencia que examinó. Pero, realizó una última prueba
para corroborar la hipótesis de su modelo: cruzamientos prueba o retrocruzamientos. Consiste en cruzas que permiten dilucidar el
genotipo de un individuo cuyo fenotipo es dominante. Es decir, si el individuo
cuyo fenotipo es dominante, es homocigota dominante o heterocigota para esa
característica. Para ello se cruza al individuo en estudio con un individuo de
fenotipo recesivo (genotipo homocigota recesivo) y se analiza la descendencia.
Si alguno de los hijos muestra fenotipo recesivo, entonces el individuo
parental en cuestión es heterocigota ya que pudo aportar el alelo recesivo
necesario para que se obtengan hijos de fenotipo recesivo. Si todos los hijos
son de fenotipo dominante, entonces el individuo en cuestión sería homocigota
dominante dado que sólo pudo aportar gametas con alelo dominante (Figura 6).
Figura 6: Cruzamientos prueba. A) Al obtener 100% de
descendientes amarillos, se puede concluir que el individuo incógnita es
homocigota dominante. B) Al obtener descendientes de color verde, se puede
concluir que el individuo de semillas amarillas era portador del alelo recesivo
(heterocigota), que heredó a su hijo
Así, Mendel
confirmó su modelo de segregación, que quedó formalmente reconocida como la Primera Ley de Mendel o Ley de la
Segregación. Con la interpretación actual, esta ley establece: los
dos alelos de un mismo gen se separan el uno del otro (segregan) al formar las
gametas de modo tal que la mitad de las gametas lleva uno de ellos y la otra
mitad llevará el otro en forma aleatoria. En consecuencia, los caracteres
recesivos enmascarados en la F1 heterocigota de un cruzamiento entre dos líneas
puras (homocigotas) reaparecerán en la F2 con una proporción de 1/4.
En resumen,
el método para establecer herencia mendeliana simple (un gen para un carácter)
sería:
i.
Elegir
como material biológico líneas puras que difieran en el caracter de interés.
ii.
Realizar
fecundación cruzada entre líneas para obtener F1
iii.
Comprobar
uniformidad de la F1 y determinar así el alelo dominante.
iv.
Autofecundar
la F1 para obtener la F2.
v.
Comprobar
la proporción fenotípica 3:1
vi.
Autofecundar
los individuos de fenotipo dominante (3/4) y analizar la descendencia (F3) para
poder determinar la proporción genotípica de 1:2:1.
vii.
Realizar
lo mismo pero con la cruza inversa.
Aplicación de las leyes de uniformidad y segregación a otros casos
Mendel sólo
describió casos de dominancia y recesividad (dominancia completa), es decir
aquellos en los cuales el alelo dominante predomina sobre el recesivo. Por
esto, el fenotipo del heterocigota es igual al del homocigota dominante. En
cambio, existen en la naturaleza casos de dominancia incompleta en los
que el fenotipo del heterocigota es intermedio entre dos homocigotas distintos,
como por ejemplo las flores llamadas “Don Diego de la
Noche” o “Dama de
noche”. Cuando plantas homocigotas de flores blancas se cruzan con homocigotos
rojas, la descendencia F1 heterocigota muestra un fenotipo intermedio rosado.
En este caso sí se obtiene una F1 uniforme, cuyo fenotipo es intermedio entre
los fenotipos de los parentales (y no igual a uno de ellos) y la proporción fenotípica
de la F2 será ¼ del fenotipo de un parental, ½ fenotipo intermedio y ¼ fenotipo
del otro parental (1:2:1), representando la misma proporción que el genotipo.
Otro caso
en el cual la proporción fenotípica coincide con la genotípica 1:2:1 es cuando ocurre
el fenómeno de codominancia. En este caso existen dos alelos dominantes
que al estar juntos se manifiestan ambos por igual. Es decir que el fenotipo de
la cría respecto de esta característica no es una mezcla de los fenotipos de
sus padres, sino una combinación de ambos. Por ejemplo: de la cruza de una
planta con flores rojas con otra de flores blancas se obtiene plantas en F1 con
flores de pétalos blancos y rojos. En este caso también si se parte de líneas
puras de fenotipos (y genotipos) dominantes diferentes, la F1 será uniforme y
tendrá un fenotipo codominante. La F2 será: ¼ fenotipo de un parental, ½
fenotipo codominante y ¼ fenotipo del otro parental, reflejando las
proporciones genotípicas (1/4 homocigota dominante AA, ½ heterocigota codominante
AB y ¼ homocigota dominante BB).
Genética en retrospectiva y su implicancia y aplicación
en biotecnología y diagnóstico
A diferencia de Mendel, hoy existen
conocimientos de biología molecular que permiten entender claramente las leyes
que él logró establecer luego de mucho trabajo. Se sabe que la unidad básica
funcional de la herencia es el gen, el cual es una porción definida de
ADN que codifica para una cierta proteína (o ARN ribosomal o de transferencia).
Mendel no estableció el término gen, pero sí propuso su concepto en 1865, al
proponer que los caracteres de un individuo están determinados por
unidades discretas que se heredan intactas de generación en generación. La
importancia de su trabajo no fue reconocida sino hasta principios del siglo XX
(luego de que él falleciera), cuando otros científicos llegaron a resultados
similares y redescubrieron su trabajo original. La lógica y la aproximación
experimental a la herencia que utilizó Mendel constituyen el prototipo de modo
de trabajo para el análisis genético que se utiliza hoy en día.
En resumen, las leyes de Mendel expuestas
en este cuaderno (Ley de Uniformidad de la F1 y Ley de Segregación en F2) se
siguen aplicando hoy en día con el fin de determinar si la característica
fenotípica en estudio está codificada precisamente por un solo gen
(característica monogénica) o se trata de una característica genéticamente más
compleja. Así, en muchos proyectos de biotecnología, las Leyes de Mendel se
aplican en varios pasos del desarrollo científico. El primer momento es para
descubrir si una característica fenotípica de un organismo eucariota está dada
por un único gen, para lo cual se parte de dos individuos de la misma especie
pero que sean opuestos para esa misma característica (por ej.: resistente y
susceptible a la sequía) y se los cruza de modo de analizar la F1 y la F2
acorde a las Leyes de Mendel. Si esa característica de interés está determinada
por un solo gen, entonces el científico aplicará técnicas de Biología Molecular
e Ingeniería Genética para clonar ese gen de interés (ver Cuaderno nº 67).
Posteriormente, si decide aplicar las técnicas de mejoramiento genético
mediadas por ingeniería genética, es decir, obtener un OGM, deberá evaluar la
estabilidad genética del transgén introducido estudiando la estabilidad
genética de la integración del gen, y su heredabilidad acorde a las Leyes de
Mendel. Otra aplicación de las leyes de Mendel es el uso de marcadores
moleculares para la identificación de paternidad y lazos familiares, dado que
los patrones de banda de las técnicas más usadas se heredan en forma mendeliana
(ver Cuaderno nº 69).
CONSIDERACIONES METODOLÓGICAS
Este Cuaderno, junto con el Nº 3, 20, y
41, constituye una introducción a la genética cuyos conceptos básicos se
recomienda trabajar en clase, antes de incorporar conceptos más específicos de
la biotecnología. En este Cuaderno, particularmente, se resumen algunos
trabajos iniciales de Mendel de modo que los alumnos puedan construir los
conceptos a los que arribó el investigador. También, hacia el final, se da un
enfoque retrospectivo, considerando que hoy en día ya se conocen las leyes de
Mendel, y se las aplica para estudios de genética clásica, genética molecular y
desarrollos e investigación en biotecnología.
Un aspecto fundamental a tener en cuenta
al abordar temas de genética, particularmente al analizar las experiencias de
Mendel y ejercitar la resolución de problemas, es el hecho de que la genética
hace referencia a aspectos estadísticos, que se expresa en términos de
proporciones y probabilidades. Se recomienda trabajar estos temas en
coordinación con docentes de matemática y trabajar previamente el Cuaderno Nº
38. Cuando se hace referencia a las proporciones de 3 a 1, por ejemplo, el total
(que sería = 4) representa el 100% de la población, que puede ser un número
variable de individuos. Es importante aclarar que esto NO significa que si
nacen cuatro plantas de una cruza necesariamente 3 serán lilas (75%) y 1 blanca
(25%). Sino que al hablar de proporciones numéricas o de porcentajes se hace
referencia a las probabilidades de que esto ocurra. Existe un 75% de
probabilidades de que las plantas que se originan sean de flores lilas y un 25%
de probabilidades de que sean de flores blancas. Pero, las probabilidades no
indican números certeros. Cuantos más descendientes se obtengan, más se
acercará la relación numérica real a la proporción teórica esperada de 3:1.
Esto es lo que observó Mendel cuando repitió cada experiencia tantas veces. Cuanto mayor es el tamaño de la
muestra analizada, más se acercará el número real al teórico. Del mismo modo,
si se toma en cuenta que la probabilidad de que nazca un varón o una nena es
del 50%, si una familia tiene 4 nenas esto no se contradice con la relación
numérica esperada. En cada evento de fecundación, la probabilidad sigue siendo
del 50%, y una única familia no es una muestra representativa estadísticamente.
Si se toma una población de miles o millones de personas, seguramente la
proporción numérica de nenas y varones, se aproximará a la relación teórica
esperada de 1 a
1.
En este
Cuaderno, que es una introducción al tema de la genética, hace referencia a
caracteres determinados por un único gen y que tiene dos variantes definidas.
Estos son los casos básicos por los cuales es recomendable comenzar la
enseñanza de la genética. Luego, es posible trabajar con dos caracteres o con
una característica determinada por varios genes (como la altura, que presentan
variables continuas).
Otro
aspecto fundamental en la enseñanza de la genética, y particularmente al
trabajar problemas de genética e incorporar las “letras” como símbolos, o al
usar el Cuadro de Punnet para examinar la descendencia, es recordar
permanentemente y analizar con los alumnos qué representan estos símbolos o
estas “fórmulas” que son una convención universal para representar los alelos.
Por ejemplo, al armar el cuadro de Punnet, se sugiere retomar permanentemente
el tema de la meiosis y la formación de gametas para comprender qué representan
las filas y las columnas del cuadro. Todo esto tiene por objetivo, evitar que
la genética se convierta en un ejercicio exclusivamente matemático y
automático. Al resolver un ejercicio se sugiere retomar la idea de alelo, gen,
ADN y cromosoma para que no se pierda de vista que se habla de un fragmento de una
molécula. Es decir, analizar con los alumnos que las letras A y a (como
símbolos de alelos) representan un fragmento de una macromolécula, y destacar
permanentemente la relación entre esa “letra” y el ADN. Incluso, es interesante
indagar en clase si los alumnos tienen clara la diferencia y la relación entre
la “A” que representa a un alelo, y la “A” que representa a una base
nitrogenada de un nucleótido que, a su vez, es parte de ese ADN. Este es un
trabajo importante para que los alumnos comprendan los conceptos de genética y
puedan luego aplicarlos a los temas de la biotecnología específicamente.
Para poder aplicar posteriormente estos
conocimientos a los temas de la biotecnología es importante destacar que las
conclusiones a las que llegó Mendel, la estructura del ADN, y las leyes de la
genética son válidas para todos los seres vivos. También, que el código
genético que dicta la expresión genética y determina las características de los
individuos, es universal. Esto es lo que permite la transgénesis. Este es un
aspecto esencial para la comprensión de los conceptos de biotecnología porque
permite explicar la obtención de organismos transgénicos en los cuales se
transfiere un gen de un organismo a otro, y se transfiere, de esta forma, una
característica de interés de un organismo a otro, incluso de especies
diferentes.
Un aspecto semántico, pero importante a
tener en cuenta es que “un alelo no tiene una característica, sino que la
determina”. Por ejemplo, el alelo no es amarillo, sino que determina el color
amarillo; del miso modo “un alelo no tiene una enfermedad (genética) sino que
la determina”. Aunque parezca una obviedad, es importante insistir en la
correcta expresión de estos conceptos ya que esto favorece la comprensión del
tema.
Asimismo, es interesante mencionar que
muchas veces los genetistas encuentran los alelos asociados a ciertas
características, pero ello no implica que se conozca el mecanismo bioquímico y
celular asociado a esa característica. Por ejemplo, en algunos casos se cuentan
con técnicas moleculares de diagnóstico que permiten identificar alelos del ADN
asociados a una cierta enfermedad, pero no necesariamente se conoce el
mecanismo fisiológico que lleva a la enfermedad. Por otra parte, se conoce que
los alelos asociados a colores en plantas codifican para una enzima que
interviene en rutas metabólicas que llevan a la obtención de ciertos pigmentos
(metabolitos secundarios) responsables del color que percibimos al observar una
planta.
CONCEPTOS
RELACIONADOS
Reproducción sexual. Reproducción en
plantas con flor. Sistema reproductor. División celular: mitosis, meiosis. ADN.
Cromosomas. Gen. Alelo. Gametas. Cromosomas homólogos. Fenotipo. Genotipo.
Biodiversidad.
ACTIVIDADES
Actividad 1. Repaso de contenidos
a. Repaso de conceptos
El
objetivo de esta actividad es repasar algunos conceptos trabajados en este
Cuaderno, e integrarlos con conceptos vinculados con la estructura y
organización del material genético. En el repaso se combinan preguntas teóricas
con esquemas ilustrativos, para interpretar y completar.
1.
¿Cuál
es la ventaja de estudiar una característica en organismos que presentan
generaciones cortas, como las plantas de arvejas seleccionadas por Mendel?
2.
¿A
qué se denomina carácter recesivo y carácter dominante?
3.
Según
el esquema que describe la experiencia de Mendel, cada progenitor tiene dos
factores para cada característica. ¿Cómo obtiene cada individuo cada uno de
estos dos factores?
4.
¿Qué
representa la letra A en el genotipo?
5.
¿Qué
representa la letra A en la estructura química del ADN?
Respuestas
- 1. Permite estudiar en corto tiempo varias generaciones y analizar la herencia de las características en varias generaciones.
- 2. El carácter dominante es el que predomina y se manifiesta cuando el gen en cuestión se encuentra en heterocigosis.
- 3. Siendo individuos que se reproducen sexualmente y, por lo tanto, tienen dos alelos que determinan cada característica, obtienen ambos alelos en el proceso de fecundación, uno llega a través de la gameta masculina y el otro a través de la gameta femenina.
- 4. La letra A representa uno de los alelos del gen que determina la característica, y, como tal, representa un fragmento de ADN con una secuencia particular que determina una característica particular.
- 5. La letra A en la estructura química del ADN representa una base nitrogenada (adenina) que es parte de las unidades, denominadas nucleótidos que, a su vez, se unen y forman la molécula de ADN.
b. Repaso con
esquemas
El objetivo de esta
actividad es que los alumnos puedan relacionar los diferentes conceptos
vinculados con las estructuras celulares, como gen, alelo, ADN, cromosomas,
genotipos, a través de diferentes esquemas ilustrativos.
i)
Indicar qué representa cada estructura señalada,
suponiendo que se trata de la determinación genética del color de ojos, siendo
el individuo heterocigota para esta característica.
ii)
Completar el esquema con los siguientes conceptos: ADN,
CÉLULA, GEN, CROMOSOMA.
iii)
Completar el esquema con los conceptos:
GEN, ALELO, HOMOCIGOTA DOMINANTE, HOMOCIGOTA RECESIVO, HETEROCIGOTA.
Respuestas
i) 1= alelo para color
de ojos marrón; 2= gen que determina color de ojos; 3= par de cromosomas
homólogos, 4= alelo para color de ojos celeste
ii) 1= molécula de ADN; 2= cromosoma, 3=
gen, 4= célula, 5= ADN
iii) 1= gen en el par de cromosomas homólogos; 2= alelos (alternativas
diferentes del gen); 3= gen en estado (o genotipo) homocigota dominante; 4= gen
en estado (o genotipo) homocigota recesivo; 5= gen en heterocigosis (o genotipo
heterocigota)
c. Completar las oraciones
a.
Cuando se cruzan líneas puras de tallo alto y de tallo bajo, todas las plantas
de la _____ y 3/4 de las plantas de la ____ tienen tallo alto. Por lo
tanto, el alelo de tallo alto es _______________. Rta.: F1; F2;
dominante.
b. El cruzamiento prueba se realiza para determinar si el
____________ de una planta con fenotipo dominante es ___________ o
_____________. Si el individuo en cuestión es ____________, toda la
descendencia del cruzamiento prueba tendrá fenotipo ____________. En cambio, si
el individuo es ____________, ____ de la descendencia tendrá fenotipo
__________.
Rta.: genotipo ; homocigota ; heterocigota ;
homocigoto ;dominante ; heterocigota ; mitad (1/2 o 50%) ; recesivo (o
dominante).
d. Definiciones
Ubicar al
comienzo de cada definición el término que corresponde a su significado, de la
lista que se da a continuación:
RECESIVO; ALELO; HOMOCIGOTO; GENOTIPO; HÍBRIDO/A;
DOMINANTE; HETEROCIGOTO,
MONOHÍBRIDO; FENOTIPO
1.
___________________=
línea/individuo obtenido por cruzamiento de dos líneas puras distintas y que
es, por lo tanto, portador de dos alelos distintos para un carácter
determinado. También se los denomina heterocigotos.
2.
___________________= cruzamiento en
el que se considera sólo un carácter (con sus posibles alelos).
3.
___________________= Cada una de
las alternativas que puede tener un gen que determina un carácter.
4.
___________________= Individuo que
para un gen dado tiene en cada cromosoma homólogo un alelo distinto, por
ejemplo, Aa.
5.
___________________= Individuo que
para un gen dado tiene en cada cromosoma homólogo el mismo tipo de alelo, por
ejemplo, AA o aa .
6.
___________________=
alelo
que se expresa aunque haya otros alelo para el mismo carácter. Su fenotipo se observa en la F1 de una
cruza de líneas puras.
7.
___________________=
alelo
que se expresa solamente cuando es el único tipo de alelo presente en un
organismo para un carácter dado.
8.
___________________= la
manifestación externa del genotipo, es decir, los caracteres observables o
medibles en un individuo.
9. ___________________= conjunto de genes de un
organismo heredado de sus progenitores. Más específicamente, los tipos de
alelos que provienen de ambos progenitores y forman los genes.
Respuesta:
1= híbrida/o; 2=
Monohíbrido; 3= Alelo; 4= Heterocigoto; 5= Homocigoto; 6= Dominante; 7=
Recesivo; 8= Fenotipo; 9= Genotipo
Actividad 2.
Trabajo experimental. Reproducción sexual en plantas con flores
En esta experiencia van a observar una
flor e identificar las estructuras reproductivas que contiene. Las plantas que
poseen flores y semillas se denominan angiospermas. El objetivo es que
puedan conocer los órganos reproductores de una planta con flor, sus funciones,
y compararlo con lo estudiado acerca de la reproducción en los seres humanos.
El objetivo de esta actividad es conocer las partes de una planta con flor,
para ayudar a comprender el procedimiento empleado por Mendel en sus
experiencias.
Materiales
ü
Flores (de diferente tipo, en
las que se puedan identificar claramente sus estructuras internas)
ü
Pinza
ü
Trincheta
ü
Portaobjetos
ü
Lupa
ü
Microscopio óptico
Procedimiento:
a) Observar la flor exteriormente. Dibujar lo que ven, describir su
forma, tamaño y colores. Buscar en la bibliografía el nombre de las estructuras
que observan y anotarlas en el dibujo.
b) Retirar delicadamente las estructuras más externas y observar el
interior de la flor. Dibujar lo que ven y dar nombre a las partes que se
observan a partir de los datos que se encuentran en la bibliografía.
c) Retirar un estambre de la flor y espolvorear polen sobre un
portaobjetos, como muestra la Figura 10.
d) Cortar longitudinalmente, cuidadosamente con la trincheta, el
ovario y observar su interior con la lupa. Dibujar lo que ven.
e) Retirar del ovario, con ayuda de la pinza, las pequeñas
estructuras que hay en su interior y colocarlas sobre el mismo portaobjetos con
el polen.
f) Observar este preparado al microscopio.
g) Describir y comparar la forma y el tamaño de las estructuras
observadas al microscopio.
Figura 10: Obtención de
polen
Algunas preguntas para analizar la experiencia
Investigar en la
bibliografía y responder:
- ¿Cuál es la función de cada una de las partes que forman la
flor?
- ¿Las flores observadas tenían los
sistemas reproductores de ambos sexos o solo uno de ellos? ¿Cómo se
denomina a las plantas que tienen órganos masculinos y femeninos en un
mismo individuo? Rta. Hermafroditas.
- ¿Qué es el polen? ¿A qué se asemeja el polen, a los
espermatozoides o al semen del cuerpo humano? Rta.
El polen se asemeja al semen que contiene las células espermáticas.
- ¿A qué estructura del sistema reproductor femenino humano
correspondería el estigma? Rta. A la vagina,
parte del sistema reproductor femenino por donde ingresa el semen.
- ¿Qué conclusión se podría sacar acerca del tamaño de los
espermatozoides y de los óvulos en la planta a partir de la observación al
microscopio? ¿Es similar a lo que ocurre en el cuerpo humano? Rta. Es similar en ambos casos, el tamaño del óvulo es
mayor que el del espermatozoide.
- Si se extrajeran células de los pétalos o del tallo de la
planta y se pudiera conocer el número de cromosomas que contienen, ¿sería
igual al número de cromosomas que contienen los óvulos y las células
espermáticas de la planta? ¿Por qué? Rta. Las
células de cualquier parte de la planta serían diploides, es decir que
tendrían la carga completa de material genético, mientras que las gametas
son haploides, es decir que tienen la mitad de cromosomas. Esto ocurre ya
que estas células se obtienen por el proceso de meiosis.
Actividad 3.
Los hijos son parecidos a los padres
Para introducir la idea de herencia, de
combinación de caracteres, y de dominante y recesivo se propone
armar modelos con papel celofán y cartulina que representen los caracteres en
las diferentes partes del individuo. Lo importante es que los chicos puedan
comprender que las características de los hijos son una combinación de las de
los padres, y que no son una mezcla.
Se
sugiere:
- Que los alumnos elijan un organismo con el cual trabajar (una planta, un conejo, un pájaro, etc.).
- Una vez elegido el organismo, preparar las piezas del cuerpo (por ejemplo, flores, hojas, tallo, raíz si fuera una planta).
- De cada parte se deben hacer dos variantes: una más “débil, suave o chiquita” (representa la recesiva) y otra más “fuerte, oscura o grande” (representa la dominante). En total debe haber cuatro copias de cada parte.
- Se depositan dos variantes de cada parte en una caja llamada “mamá” y dos variantes en otra caja llamada “papá”.
- Los alumnos deberán sacar de las cajas las partes del cuerpo y comparar las dos variantes que sacan y determinar cuál predominará en el hijo. Así, por ejemplo: se pueden poner flores de papel celofán transparente y flores de color rojo. Cuando los chicos saquen de las cajas las flores que aporta la “mamá” y las del “papá” deberán decir cuál es más “dominante” y por lo tanto cómo se verá en la planta hija. En este caso, si sacan una flor transparente y otra roja, dominará la roja; si sacan dos flores rojas, el hijo tendrá flores rojas; y si saca dos transparentes tendrá flores transparentes. Si las hojas son grandes y chicas, las grandes dominarán sobre las más chicas, y así con todas las partes hasta formar la planta entera.
Nota: Si sacan dos partes que no se puedan decidir, tendrán un caso de
“quedan los dos” (codominancia) o queda una mezcla (dominancia incompleta),
esos casos también son válidos. Otra sugerencia, para evitar dudas y
discusiones entre los chicos, es que el docente tenga un papel en el cual está
determinado cuál es el dominante y cuál el recesivo de cada carácter, o si son
codominantes o de dominancia incompleta. De esta forma, cada vez que los
alumnos sacan un par de caracteres, pueden sugerir cuál les parece que será el
dominante y el recesivo, dan sus argumentos al respecto, pero luego el docente
lo determina.
Actividad 4. La herencia del color de las flores
En este caso se
propone resolver un ejercicio simple, en el cual se analiza la herencia del
color de las flores de una plantas. El color de flores rojo es dominante sobre
el blanco. Se sugiere completar el esquema con los genotipos, fenotipos, alelos
que poseen las gametas, y datos estadísticos que se solicitan. Las preguntas
que acompañan el ejercicio tienen como objetivo integrar los conceptos de
genética con los contenidos vinculados con la estructura del ADN, la meiosis,
la fecundación, etc.
Actividad
5. Fenotipo más frecuente y fenotipo dominante
Esta actividad tiene como objetivo
reforzar la idea que el fenotipo más frecuente en un grupo de individuos no es
necesariamente el dominante. Uno de los parámetros que se puede analizar en una
población es la frecuencia con la que aparecen los distintos genotipos, o frecuencia
genotípica. En una población en la que ha existido una historia de
cruzamientos entre distintas líneas, es común hallar una alta frecuencia de
heterocigotas, y por ende de fenotipo dominante (en caso de dominancia
completa). En cambio, en poblaciones que no se mezclan con otras, tiende a
haber un aumento en la homocigosis. Si los individuos que fundaron la población
tenían alelos recesivos, entonces la frecuencia de individuos con fenotipo
recesivo es más alta que en una población sin mezcla. Por lo tanto, los rasgos
de mayor frecuencia y los rasgos dominantes son dos conceptos distintos, y el
fenotipo más frecuente en una población no siempre es el dominante. Para
analizar estos parámetros en una población es necesario conocer algo de su
historia y examinar las fuerzas o procesos que han actuado sobre ella
(migración, selección, apareamiento no aleatorio, etc). Por ejemplo: si se
compara a grandes rasgos la fisonomía de un grupo de argentinos con la de un
grupo de individuos de países nórdicos (Suecia, Noruega o Finlandia), se podrá
observar claramente que el fenotipo color de pelo más frecuente en los
argentinos es castaño, mientras que en los finlandeses será rubio. En el caso
de la población nórdica, el fenotipo más frecuente refleja el genotipo
recesivo. En cambio, en la Argentina el color castaño es dominante, y ese es el
fenotipo más frecuente. Este fenotipo dominante en la población de Argentina
refleja la heterocigosis obtenida por las mezclas entre nativos e inmigrantes
de distintos orígenes de los siglos XIX y XX. En cambio la homocigosis de una
población nórdica refleja la baja tasa de inmigración de otros pueblos en esa
zona.
Para trabajar este concepto, se propone
una actividad en la que se analizan los rasgos fisonómicos de los chicos del
aula. Sería interesante que esta actividad se realice comparando, si es
posible, los resultados de distintas aulas o distintas escuelas, incluso de
diferentes provincias.
Desarrollo de la actividad
Los alumnos recolectarán, a partir de la
observación, algunos rasgos fisonómicos de su grupo de clase. Entre los datos a
observar se pueden registrar: color de ojos, color de pelo, tipo de cabello
(ondulado, lacio), color de la tez, etc. Deberán contar y anotar los resultados
en la tabla:
Rasgo
registrado
|
Nº de alumnos
|
Ojos Marrones
|
15
|
Ojos Azules
|
5
|
Ojos Verdes
|
4
|
TOTAL
|
24
|
Se sugiere calcular porcentajes para determinar la
frecuencia de cada rasgo. Por ejemplo, el porcentaje de alumnos con ojos
marrones sería: 15 x 100 / 24 = 63,5%. A partir de esta tabla de datos deberán
determinar cuál es el fenotipo de mayor y el de menor frecuencia. Luego deberán
compararlo con los datos de otras poblaciones y explicar las diferencias entre
las poblaciones considerando datos de la sociedad de esos países y su historia.
Actividad 6. Fenotipos en el maíz
La
siguiente fotografía muestra dos fenotipos distintos del color del grano de
maíz, amarillo y negro. Estas plantas
fueron tomadas como parentales (P) y se las cruzó para obtener descendencia
(F1), la cual resultó toda de granos negros.
a) ¿Qué indicaría este primer resultado? Rta.: que el alelo que determina el color oscuro sería
dominante y el que determina color amarillo sería recesivo.
b) Las plantas F1 fueron autofecundadas
para obtener la F2, que mostró el fenotipo ilustrado en las siguientes
fotografías. Contando los granos de cada color, determinar la proporción
fenotípica para determinar si el caracter color del grano está dado por un solo
gen (genética simple mendeliana). Rta.: hay
aproximadamente 100 granos de maíz, que cumplen con la proporción 3:1, con lo
cual se podría decir que el caracter color del grano es monogénico (un solo gen
que lo determina).
Vista aumentada
de una sección de la fotografía de la F2
c) Ante la duda, y para confirmar mejor
los resultados del punto b), se realizó un cruzamiento prueba entre una
planta obtenida a partir de un grano negro y otra de grano amarillo. El resultado
se ilustra en la siguiente fotografía. ¿Qué resultado se observó de esta
retrocruza? ¿Qué conclusiones se pueden sacar? Rta: Se
observa una proporción 1:1 que confirma los conclusiones anteriores, de que el
carácter color del grano es monogénico y que el alelo que determina el color
oscuro es dominante sobre el que determina el color amarillo.
|
Actividad 7. Las
leyes de Mendel y la biotecnología
El objetivo de
esta actividad es que se usen las Leyes de uniformidad y segregación, junto con
el principio de (retro)cruzas para deducir si la característica de interés está
dada por un gen único. Para ello se realizan en un laboratorio múltiples
cruzamientos combinados entre plantas de fenotipos contrastantes o iguales. Se
pide que luego de estudiar todos los cruzamientos, y si es un caso de genética
mendeliana, se indique el posible genotipo de cada individuo usado para los
cruzamientos.
Una especie que crece en la Patagonia
muestra una particular resistencia a múltiples enfermedades fúngicas. Dicha
cualidad resulta de altísimo interés para poder utilizarla en otras especies
agronómicas altamente susceptibles a hongos. Por lo tanto se decidió estudiar
si dicha característica de la planta patagónica está dada por uno o más genes,
con el fin de comenzar luego su clonado. Para ello se colectaron plantas de la
naturaleza y se las cruzó (o autofecundó) obteniéndose los siguientes
resultados:
Cruza
|
Polinización
|
Número de descendientes
|
|
Resistentes
|
Susceptibles
|
||
1
|
resistentes (autofec.)
|
98
|
1 *
|
2
|
resistentes (autofec.)
|
60
|
20
|
3
|
susceptibles (autofec.)
|
2 *
|
60
|
4
|
resistente x susceptible
|
115
|
0
|
5
|
resistente x susceptible
|
32
|
35
|
6
|
resistente x susceptible
|
54
|
0
|
7
|
resistente x resistente
|
48
|
0
|
8
|
resistente x resistente
|
32
|
0
|
Interpretar los resultados y deducir el
modo de herencia de los fenotipos para saber si vale la pena comenzar el arduo
trabajo de buscar y clonar el gen que codifica para dicho carácter.
Nota: los fenotipos de las progenies marcadas con un
asterisco * no tienen una explicación genética. ¿Qué pudo haber sucedido?
Rta: Los números de plantas descendiente
obtenidas no son números redondos, pues así suele ser en los ensayos de
laboratorio con plantas. A partir de la proporción observada en la cruza 2,
donde hay una relación 3:1 de resistentes (R) con respecto a susceptibles (r),
se podría sugerir que la característica de resistencia está determinada por un
solo gen y que se hereda en forma mendeliana. El fenotipo resistente es
dominante (genotipos RR, Rr) sobre el susceptible (genotipo rr). Así, el
genotipo de los individuos utilizados para los cruzamientos podría ser:
Cruza
|
Genotipos
|
1
|
RR x RR
|
2
|
Rr x Rr
|
3
|
rr x rr
|
4
|
RR x rr
|
5
|
Rr x rr
|
6
|
RR x rr
|
7
|
RR x R-
|
8
|
RR x R-
|
Las plantas inusuales podrían
deberse a un error de observación del experimentador o a un efecto experimental
sobre el desarrollo del patógeno que se quiso inocular para el desafío, o a un
efecto sobre el desarrollo de las plantas evaluadas.
Material de consulta
http://www.biologia.edu.ar/genetica/genet1.htm#mendel
Introducción a la genética mendeliana. Hipertextos del área de Biología.
Universidad nacional del Nordeste.
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/125/htm/genetica.htm.
La Ciencia para Todos. Genética: la continuidad de la vida. Instituto
Latinoamericano de Comunicación Educativa (ILCE). México. Contiene texto e ilustraciones.
http://www.biologia.arizona.edu/human/activities/blackett/introduction.html
Incluye actividad sobre parentesco a partir de ADN,
el cual se basa en que la herencia de los patrones de polimorfismo es
mendeliana (en inglés).
Una
tumba para los Romanov, y otras historias con ADN. Raúl
Alzogaray. (2004). Colección “Ciencia que ladra...”. Universidad Nacional de
Quilmes. Siglo XXI Editores. Argentina.
Análisis
Mendeliano. En INTRODUCCIÓN AL ANALISIS GENETICO, 6ta Edición. (1997) Interamericana-McGraw-Hill.. Griffiths,
A.J.F., Miller, J.H., Suzuki, D.T., Lewontin, R.C., and Gelbart, W.M. 1996.
http://www.uc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval4.1.html
Pontificia Universidad Católica de Chile. Presenta representaciones gráficas de
las Leyes de Mendel, y su relación con la meiosis y gametogénesis.
http://www.mendel-museum.org/eng/1online/ (en inglés) Sitio web del Museo de Mendel;
cuenta con exhibición on-line y animación de los experimentos de Mendel con sus
conclusiones
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