III. Ereditatea și variabilitatea lumii vii

Concepte

Ereditatea este capacitatea organismelor vii de a transmite trăsăturile lor specifice descendenţilor. Rezultă că ereditate este o trăsătură caracteristică tuturor organismelor, are caracter universal.
Variabilitatea este proprietatea organismelor de a se deosebi unele de altele prin anumite caractere.
Asemănările sau trăsăturile ereditare constituie informaţia genetică sau zestrea ereditară a organismelor. Ereditatea asigură existenţa speciei dar şi transmiterea caracteristicilor individuale (ex. culoarea părului, a ochilor) de la părinţi la urmaşi.
Gena - unitatea genetică purtătoare a informaţiei genetice; reprezintă un segment din macromolecula de ADN care conţine informaţia necesară sintezei unei catene polipeptidice.
Genotipul unui organism - totalitatea genelor care intră în structura genetică a unui organism;
Fenotipul - totalitatea manifestărilor morfologice, fiziologice, biochimice şi comportamentale ale unui organism. Este rezultatul interacţiunii dintre genotip şi mediu. Exemplu: în cazul culorii ochilor, genotipul BB sau Bb determină nuanţe închise (fenotip), iar bb (genotip) determină culoarea albastră (fenotip).

Genele au fost numite iniţial factori genetici sau ereditari. Ele sunt situate în cromozomi, într-o succesiune liniară, fiecare ocupând un anumit loc numit locus genic (plural, loci genici).
Pe cromozomii omologi (din aceeaşi pereche), genele perechi ocupă acelaşi locus şi se numesc gene alele. Ele apar prin mutaţia genei normale sau sălbatice şi influenţează acelaşi caracter. Dacă un organism conţine gene alele identice (AA sau aa), se numeşte homozigot, iar, dacă are gene alele diferite (Aa), se numeşte heterozigot.
Variabilitatea poate fi definită ca diferenţele existente între indivizii aceleiaşi specii sub raportul însuşirilor genotipice şi fenotipice.
Variaţiile sunt răspunsuri ale organismelor la factorii din mediul extern sau intern.

Mecanismele de transmitere a caracterelor ereditare - legile mendeliene, abateri de la segregarea mendeliană, codominanța

Primele legi ale geneticii au fost elaborate de Gregor Mendel în urma studiilor efectuate pe plante de mazăre.
Mazărea (Pisum sativum) este o plantă autogamă, deoarece realizează autopolenizarea. Din această cauză, diferitele varietăţi de mazăre se păstrează nemodificate, ca linii pure, de-a lungul generaţiilor. Aceste linii pure au o structură homozigotă şi au fost utilizate de Mendel în experimentele de hibridare.
Hibridarea este încrucişarea dintre organisme care se deosebesc prin una sau mai multe perechi de caractere ereditare. Procesul se notează simbolic cu X. Dacă organismele se deosebesc printr-o singură pereche de caractere, procesul se numeşte monohibridare; prin două perechi, dihibridare, etc.
Rezultatul hibridării este un organism hibrid, cu structură heterozigotă sau impură (Aa). Exemplu: prin încrucişarea plantelor care produc flori roşii (AA) cu plante care produc flori albe (aa), se obţin plante care au flori roşii. Plantele obţinute constituie prima generaţie sau F1. Caracterul de floare roşie care s-a manifestat la plantele hibride din F1 a fost numit caracter dominant şi notat cu literă mare: A.
Caracterul de floare albă, care a rămas ascuns la plantele din F1, a fost numit recesiv şi notat cu literă mică: a. 

Plantele din F1 au fost lăsate să se autopolenizeze şi a rezultat generaţia a doua, F2, în care trei părţi din plante au produs flori roşii şi o parte , flori albe. Apariţia a două tipuri de caractere din organismele hibride, se numeşte segregare. Segregarea a fost de 3 dominant la 1 recesiv. 

Interpretarea rezultatelor
În pistilul plantelor din F1 s-au produs 50% oosfere cu factorul ereditar A şi 50% oosfere cu factorul ereditar a. În stamine s-au format 50% grăuncioare de polen cu factorul A şi 50% grăuncioare de polen cu factorul a.
Se observă că gameţii sunt puri din punct de vedere genetic, deoarece ei rezultă prin meioză şi fiecare va avea doar unul din factorii ereditari pereche. În celulele somatice, factorii ereditari sunt sub formă de perechi.
Gameţii formaţi se unesc pe bază de probabilitate: oricare gamet femel are şansa de a se uni cu oricare gamet mascul şi invers.
În F2 rezultă de fapt trei structuri genetice şi două fenotipuri:

25% - AA – organisme homozigote dominante
50% - Aa - organisme heterozigote
25% - aa - organisme homozigote recesive

Raportul de segregare după genotip este de 1:2:1, iar după fenotip este de 3:1.
Pe baza acestor experienţe, Mendel a formulat primele legi ale eredităţii:

Legea I – sau legea purităţii gameţilor: Gameţii sunt totdeauna puri din punct de vedere genetic deoarece conţin doar un factor din perechea de factori ereditari.

Legea a II-a – sau legea segregării independente a perechilor de caractere: Dacă se încrucişează două organisme care diferă între ele prin mai multe perechi de caractere, fiecare caracter se transmite independent, pe baza legii anterioare (gameţii vor conţine câte un factor din fiecare pereche).

Exemplu: prin încrucişarea între plante de mazăre cu bob neted şi de culoare galbenă cu plante care au boabe zbârcite şi verzi, rezultă în F1 numai plante hibride cu bob neted şi de culoare galbenă. Dacă notăm cu G factorul ereditar pentru culoare galbenă, cu v factorul ereditar pentru culoare verde, cu N factorul ereditar pentru bob neted și cu z factorul ereditar pentru bob zbârcit, organismele parentale vor fi GGNN, respectiv vvzz, iar organismele din F1 vor avea genotipul GvNz.
Fiecare organism hibrid va produce patru tipuri de gameţi: GN, Gz, vN, vz.
Prin combinarea celor patru tipuri de gameţi femeli cu cele patru tipuri de gameţi masculi obţinem următoarele combinaţii:

Se obţin 16 combinaţii genotipice: în 9 dintre acestea se află factori ereditari dominanţi (GGNN; GGNz; GvNz; GvNN), care determină fenotipul culoare galbenă și bob neted.
În trei combinaţii intră factorul dominant pentru culoarea galbenă (GG sau Gv) alături de factorul recesiv aspect zbârcit (zz); în alte trei combinaţii se află factorul aspect neted (NN sau Nz) alături de factorul v (culoare verde). O singură combinaţie va prezenta ambele caractere în stare recesivă homozigotă (vvzz) - culoare verde, aspect zbârcit.
Raportul de segregare după fenotip va fi: 9:3:3:1.
 

Importanţa legilor eredităţii
- Mendel a pornit de la constatarea că în celulele somatice factorii ereditari (genele) se găsesc sub formă de perechi, iar, în timpul meiozei, se despart şi se formează gameţii puri din punct de vedere genetic.
- În procesul fecundaţiei are loc unirea la întâmplare a gameţilor de sex opus şi rezultă indivizi la care se manifestă caracterul dominant şi indivizi la care se manifestă caracterul recesiv.
- Transmiterea caracterelor ereditare se realizează prin intermediul factorilor ereditari (genelor) situaţi în cromozomi şi prezenţi în toate celulele corpului.
 

Abateri de la segregarea mendeliană

 
Semidominanţa (dominanţa incompletă) se manifestă în cazul hibrizilor care au genele alele în stare heterozigotă şi manifestă un fenotip intermediar între fenotipurile parentale.
Exemplu: la barba împăratului (Mirabilis jalapa) există structura genetică tip RR, care determină flori de culoare roşie şi structura tip rr, care determină flori de culoare albă. În urma hibridării, rezultă plante cu flori roz şi genotipul Rr. 

În F2 are loc segregarea: o parte plante cu flori roşii, două părţi plante cu flori roz şi o parte plante cu flori albe. Segregarea genotipică este identică cu cea fenotipică: 1:2:1.

Supradominanţa – în acest caz, organismele heterozigote manifestă caracterul dominant mult mai puternic decât forma homozigotă dominantă.
Exemplu: la musculiţa de oţet, Drosophila melanogaster, culoarea ochilor este roşu - cărămiziu şi este dată de genele dominante w+w+. Prin mutaţia genei normale sau sălbatice, au apărut forme cu ochi albi, caracter dat de gena recesivă w, în stare homozigotă. Prin încrucişarea între forma normală w+w+ cu forma mutantă ww, au rezultat hibrizii w+w, la care culoarea roşie este mai intensă decât la forma w+w+.

Polialelia – apare prin mutaţii succesive ale genei normale cu formarea genelor alele a1, a2 … an, care determină variaţii ale aceluiaşi caracter la indivizii unei populaţii.
Exemplu: culoarea bobului de grâu variază de la roşu la alb trecând prin 15 nuanţe intermediare, în funcţie de genele alele prezente în genotipul acestuia.

Genele letale – sunt genele care în stare homozigotă determină moartea organismului.
Exemplu: şoarecii galbeni sunt totdeauna heterozigoţi deoarece, prin încrucişarea a doi şoareci galbeni, se obţin atât şoareci galbeni cât şi şoareci de altă culoare. Raportul de segregare este de 2:1.

Prin sacrificarea femelelor gestante, s-a constatat că unii embrioni cu blana galbenă erau deja morţi.

Gene codominante - în populaţia umană există trei gene care determină grupele sanguine: LA, LB şi l. Fiecare individ are doar două dintre aceste gene rezultând următoarele combinaţii: LALA (grupa A homozigot), LAl (grupa A heterozigot), LBLB (grupa B homozigot), LBl (grupa B heterozigot), ll (grupa 0) şi LALB (grupa AB). Genele LA şi LB sunt dominante asupra genei l iar, împreună sunt codominante deoarece dau un fenotip nou: grupa de sânge AB. Fenomenul se numeşte codominanţă.
Cunoaşterea modului de transmitere a grupelor sanguine este importantă în stabilirea paternităţii şi în realizarea transfuziilor de sânge.

Teoria cromozomială a eredității

Thomas H. Morgan a dovedit rolul cromozomilor, respectiv al ADN, în transmiterea caracterelor ereditare, pe musculiţa de oţet (Drosophila melenogaster).
Cercetările ulterioare au demonstrat că ADN-ul este substanţa ereditară, substratul chimic al eredităţii la toate organismele.
Pe baza experimentelor efectuate, Th. Morgan şi colaboratorii au elaborat tezele teoriei cromozomiale a eredităţii.

Conform primei teze, genele sunt situate în cromozomi una în continuarea celeilalte, adică linear.
Acest lucru este normal având în vedere că un organism are mai multe caractere ereditare, respectiv gene, decât numărul de cromozomi. Genele sunt plasate în locuri specifice numite loci genici.

A doua teză este cea a transmiterii în bloc (înlănţuit) a genelor aflate în acelaşi cromozom. Procesul se numeşte linkage. În timpul diviziunii, cromozomii îşi păstrează integritatea lor morfologică, transmiţându-se ca unităţi independente de la celula mamă la celulele fiice.
Exemplu: prin încrucişarea unei musculiţe femelă normală (aripi normale şi ochi normali) cu un mascul dublu mutant (ochi cafenii şi aripi vestigiale), obţinem în F1 numai musculiţe normale. 

Dacă se încrucişează un mascul din F1 cu o femelă dublu mutantă (încrucişarea cu o formă homozigotă de tip parental se numeşte backcross sau retroîncrucişare şi este o metodă de analiză genetică) vom obţine 50% musculiţe normale dar heterozigote şi 50% musculiţe dublu mutante (raport de segregare 1:1).
Genele s-au transmis înlănţuit deoarece se aflau pe acelaşi cromozom. Dacă genele ar fi fost pe cromozomi diferiţi, ar fi avut loc o segregare de tip mendelian şi ar fi apărut combinaţii noi prin recombinare intercromozomială.

În cazul în care se utilizează o femelă cu aripi normale şi corp de culoare neagră şi un mascul cu aripi vestigiale şi corp gri normal, obţinem în F1 organisme normale dublu heterozigote. O femelă heterozigotă din F1 se încrucişează cu un mascul dublu mutant recesiv şi rezultă generaţia F2 cu patru tipuri de organisme: 83% - prezintă caractere care seamă cu forma maternă şi paternă şi 17%- sunt indivizi recombinaţi genetic, apăruţi în urma crossing-over – ului.

Obs. Femelele au grupele de linkage mai slabe şi permit ruperea cromatidei.
Această abatere de la linkage determină realizarea unei recombinări de gene.
Ştim că în profaza I meiotică are loc schimbul reciproc de gene sau crossing – over.

A treia teză a teoriei cromozomiale este Crossing – overul.
Cunoaştem că în meioză (profaza I) cromozomii parentali se grupează în perechi de omologi sau bivalenţi. Fiecare cromozom are două cromatide, aşa încât bivalenţii conţin 4 cromatide. În procesul de crossing - over participă doar două dintre cele 4 cromatide şi ca urmare , procesul de schimb este de 50%.

În final, fiecare cromatidă va deveni cromozom independent şi va ajunge într-un gaţi).

Datorită crossing–over-ului are loc recombinarea intracromozomială. Pe de altă parte, cromozomii materni şi paterni nu se vor duce în gameţi după o anumită regulă ci la întâmplare. Acest proces se numeşte recombinare intercromozomială (un gamet are n cromozomi dar nu vor fi toţi de la mamă sau toţi de la tată) sau ,,dansul cromozomilor”.

În urma procesului de fecundaţie dintre doi gameţi de sex opus se formează zigotul care va păstra caracterele părinţilor săi.
Transmiterea continuă a caracterelor este asigurată de macromoleculele de ADN (cromozomi) care au o proprietate unică, aceea de a servi ca matriţă pentru formarea a noi molecule identice prin replicare semiconservativă.
ADN este format din unităţi numite nucleotide. Există 4 tipuri de nucleotide în funcţie de baza azotată pe care o conţin. Cele 4 baze azotate sunt purinice (adenina - A şi guanina - G) sau pirimidinice (timina - T şi citozina - C). În cadrul catenelor de ADN, bazele azotate se leagă complementar prin punţi de hidrogen: A =T şi G ≡ C. Punţile sunt duble între A şi T şi triple între G şi C.

Se formează 2 molecule de ADN (cromozomi), fiecare cu câte o catenă nouă şi una veche (semiconservativ). Cele 2 molecule sunt identice, fiecare ajungând într-una din celulele fiice.

Determinismul cromozomial al sexelor

Tipul Drosophila de determinism cromozomial al sexelor se regăseşte şi la mamifere, inclusiv la om, şi la unele plante – spanac, cânepă, hamei. Th. Morgan a demonstrat existenţa unor cromozomi ai sexului (heterozomi) la femelă (XX) şi la mascul (XY).

Acest determinism cromozomial al sexelor asigură în descendenţă un raport constant şi egal între sexe (sex_ratio 1:1).

Femelele sunt homogametice pentru că produc un singur tip de gameţi ( cu cromozomul X), iar masculii sunt heterogametici pentru că produc două tipuri de gameţi (unii cu cromozomul X, alţii cu Y).

Tipul Abraxas (fluture) este întâlnit la amfibieni, reptile, păsări. Tipurile de heterozomi sunt: XX pentru masculi care sunt homogametici şi XY pentru femele care sunt heterogametice.

Influența mediului asupra eredității

Mutaţiile sunt modificări bruşte ale structurii şi funcţiilor materialului genetic, care se pot transmite ereditar şi nu sunt cauzate de recombinări genetice.

 
Clasificarea mutaţiilor se poate realiza după mai multe criterii:
- după tipul celulei afectate, mutaţiile pot fi gametice (se transmit ereditar) şi somatice (apar în cursul vieţii individuale şi afectează doar anumite părţi din organism; nu se transmit descendenţilor decât dacă aceştia se înmulţesc vegetativ);

- după modul în care apar, mutaţiile pot fi naturale (cu frecvenţă redusă) şi artificiale sau induse (cu frecvenţă mai mare);

- după cantitatea de material genetic implicat, mutaţiile sunt: genomice, cromozomiale şi genice. Mutaţiile genomice afectează setul haploid de cromozomi din celulele somatice. Pot fi poliploidii (se multiplică numărul de genomuri) şi aneuploidii (se modifică numărul anumitor cromozomi din genom).

Organismele poliploide se împart în autopoliploide, care îşi multiplică singure setul de cromozomi şi rezultă forme tri- şi tetraploide (ex. viţa de vie, mărul, salcia, plopul, sfecla de zahăr, secara) şi alopoliploide care au rezultat din hibridări interspecifice ( ex. grâul comun este un hexaploid format pe cale naturală în mai multe etape: încrucişarea a două specii diploide şi obţinerea unei forme tetraploide; acestă formă tetraploidă a fost încrucişată cu alta diploidă şi a rezultat o specie hexaploidă).

Aneuploidia reprezintă o modificare inexactă a setului de cromozomi prin non-disjuncţia sau nesepararea cromozomilor în cursul meiozei. Rezultă astfel gameţi cu n+1 sau cu n-1 care, prin fecundarea cu gameţi normali, vor da naştere unor indivizi cu monosomie (2n-1) sau cu trisomie (2n+1).
 

Mutaţiile cromozomiale sunt cauzate de ruperi ale unor fragmente din cromozomi care pot duce la: translocaţii (ataşarea unui segment cromozomal la un cromozom neomolog), deleţii (pierderea unui segment), inversii (inversarea ordinii genelor într-un cromozom), duplicaţii (translocarea unui segment cromozomal pe cromozomul omolog).

Mutaţiile genice constau în modificarea structurală a unei singure gene.
Mecanismele care produc mutaţii genice sunt: substituţia, adiţia de nucleotide, deleţia sau inversia ordinii nucleotidelor. Mutaţiile genice pot fi dominante, recesive, codominante, semidominate sau letale.

Factorii care produc mutaţii se numesc factori sau agenţi mutageni. Agenţii mutageni pot fi:

- fizici (radiaţii neionizante – UV, radiaţii ionizante: raze Roentgen, gamma, alfa, beta);

- chimici (alcaloidul colchicina extras din brânduşa de toamnă şi care blochează fusul de diviziune, agenţi alchilanţi precum iperita  (gaz de luptă utilizat în Primul Război Mondial), derivaţi ai bazelor azotate, medicamente, pesticide);

- biologici (virusurile rubeolei, oreionului, hepatitei, herpesului care produc tumori, sarcoame, leucemii).

Genetică umană: boli ereditare - clasificare și exemple

Genetica umană studiază transmiterea ereditară a caracterelor normale şi patologice. Transmiterea caracterelor respectă legile mendeliene de transmitere şi de segregare. Celulele umane conţin 2n = 46 cromozomi distribuiţi în 22 perechi de autozomi şi o pereche de heterozomi (XX la femeie şi XY la bărbat).
Atunci când apar modificări în structura sau cantitatea de material genetic uman, apar bolile ereditare.
Cele mai multe boli ereditare sunt cauzate de aberaţiile cromozomiale şi de mutaţiile genice.

 Aberaţiile cromozomiale pot fi numerice sau structurale. Aberaţiile numerice pot afecta autozomii şi produc boli autozomale sau heterozomii şi produc boli heterozomale.

 
Boli autozomale (numerice):
- sindromul Down este o trisomie autozomală cauzată de non-disjuncţia cromozomilor din perechea 21 în timpul formării gameţilor, ca urmare, organismul respectiv are trei cromozomi în această pereche.

Copiii cu sindrom Down sunt retardaţi, au faţa cu trăsături asiatice şi malformaţii viscerale diverse.

 
Boli heterozomale (numerice):

- sindromul Turner se manifestă la femei şi este o monosomie caracterizată prin lipsa unui cromozom X. Formula cromozomială este 45 (X0). Femeile afectate au talie redusă, ovare atrofiate, sterilitate;

- sindromul Klinefelter - apare la bărbaţi cu formula cromozomială 47 (XXY) sau 48 (XXXY). Se caracterizează prin obezitate, sterilitate, glande mamare dezvoltate;

- sindromul Triplu -X sau superfemela – prezintă un cromozom X suplimentar. Formula cromozomială este 47 (XXX). Se caracterizează prin anomalii fizice şi psihice.

 
Boli structural – cromozomiale:
- sindromul Cri-de-chat - apare prin deleţia braţului scurt al cromozomului din perechea 5. Copiii cu acest sindrom sunt retardaţi, au malformaţii ale laringelui, ceea ce determină ţipătul caracteristic al copiilor afectaţi.

Mutaţiile genice – duc la apariţia bolilor metabolice ereditare. Se pot clasifica astfel:

- după tipul genei mutante în boli dominante şi boli recesive;
- după poziţia genei în boli autozomale şi heterozomale.
Exemple de boli autozomale dominante: polidactilia caracterizată prin prezenţa unui deget supranumerar; sindactilia (degete unite).
Exemplu de maladie autozomală recesivă: albinismul manifestat prin lipsa pigmentului melanic din piele, păr, iris.
 

Boli heterozomale:
- hemofilia manifestată prin incapacitatea de coagulare a sângelui şi apariţia de hematoame la cele mai mici traumatisme. Gena mutantă se află pe cromozomul X, de aceea boala se manifestă la descendenţii de sex
masculin. Mama este purtătoarea genei pentru hemofilie (aparent sănătoasă) şi are genotipul XhX. La femeie, gena hemofiliei se exprimă doar în condiţie homozigotă (XhXh), cel mai adesea incompatibilă cu supravieţuirea, pe când la bărbat, ea se poate exprima într-un singur exemplar (XhY), condiţie numită hemizigoţie;

- daltonismul constă în incapacitatea persoanei respective de a deosebi culoarea roşie de cea verde (lipseşte pigmentul fotosensibil pentru roşu).
Este provocat de o genă recesivă plasată tot pe cromozomul X.