Genética (Primera Parte)

Q.B. Rodolfo Ruiz Torres

Primera ley de Mendel

Si se cruzan dos razas puras para un determinado carácter, los descendientes de la primera generación son todos iguales entre sí y, a su vez, iguales a uno de sus progenitores, que es el poseedor del alelo dominante. Mendel elaboró este principio al observar que si cruzaba dos razas puras de plantas del guisante, una de semillas amarillas y otra de semillas verdes, la descendencia que obtenía, a la que él denominaba F1, consistía únicamente en plantas que producían semillas de color amarillo. Estas plantas debían tener, en el gen que determina el color de la semilla, los dos alelos que habían heredado de sus progenitores, un alelo para el color verde y otro para el color amarillo; pero, por alguna razón, sólo se manifestaba este último, por lo que se lo denominó alelo dominante, mientras que al primero se le llamó alelo recesivo.

Gregor Mendel ( 20 de julio de 1822 – 6 de enero de 1884) fue un monje agustino católico y naturalista, nacido en Heinzendorf,Austria (actual Hynčice, distrito Nový Jičín, República Checa)

Alelo (del griego: αλλήλων, allélon: uno a otro, unos a otras) es cada una de las formas alternativas que puede tener un gen que se diferencian en su secuencia y que se puede manifestar en modificaciones concretas de la función de ese gen. Al ser la mayoría de los mamíferos diploideds estos poseen dos alelos de cada gen, uno de ellos procedente del padre y el otro de la madre. Cada par de alelos se ubica en iguallocus o lugar del cromosoma.

Segunda ley de Mendel

Los alelos recesivos que, al cruzar dos razas puras, no se manifiestan en la primera generación (denominada F1), reaparecen en la segunda generación (denominada F2) resultante de cruzar los individuos de la primera. Además la proporción en la que aparecen es de 1 a 3 respecto a los alelos dominantes. Mendel cruzó entre sí los guisantes de semillas amarillas obtenidos en la primera generación del experimento anterior. Cuando clasificó la descendencia resultante, observó que aproximadamente tres cuartas partes tenían semillas de color amarillo y la cuarta parte restante tenía las semillas de color verde. Es decir, que el carácter « semilla de color verde », que no había aparecido en ninguna planta de la primera generación, sí que aparecía en la segunda aunque en menor proporción que el carácter « semilla de color amarillo »

Tercera ley de mendel

Los caracteres que se heredan son independientes entre si y se combinan al azar al pasar a la descendencia, manifestándose en la segunda generación filial o F2. En este caso, Mendel selecciono para el cruzamiento plantas que diferían en dos características, por ejemplo, el color de los guisantes (verdes o amarillos) y su superficie (lisa o arrugada).

Observo que la primera generaci6n estaba compuesta únicamente por plantas con guisantes amarillos y lisos, cumpliéndose la primera ley. En la segunda generaci6n, sin embargo, aparecían todas las posibles combinaciones de caracteres, aunque en las proporciones siguientes: 1/16 parte de guisantes verdes y rugosos, 3/16 de verdes y lisos, 3/16 de amarillos y rugosos y por ultimo 9/16 de amarillos y lisos. Esto le indujo a pensar que los genes eran estructuras independientes unas de otras y, por lo tanto, que únicamente dependía del azar la combinaci6n de los mismos que pudiese aparecer en la descendencia.

La Genética después de Mendel: Teoría Cromosómica de la herencia

A principios del siglo XX, cuando las técnicas para el estudio de la célula ya estaban suficientemente desarrolladas, se pudo determinar que los genes estaban formados por acido desoxirribonucleico (ADN) y además se encontraban dentro de unas estructuras que aparecían en el citoplasma justo antes de cada proceso de división celular. A estas estructuras se las denomino cromosomas, término que significa « cuerpos coloreados », por la intensidad con la que fijaban determinados colorantes al ser teñidos para poder observarlos al microscopio. Además se vio que estos aparecían repetidos en la célula formando un número determinado de parejas de cromosomas homólogos característico de cada especie, uno de los cuales se heredaba del padre y el otro de la madre. También se pudo comprobar que el número de pares de cromosomas no dependía de la complejidad del ser vivo. Así por ejemplo, en el hombre se contabilizaron 23 pares de cromosomas, mientras que en una planta como el trigo podían encontrarse hasta 28 pares.

En base a estos descubrimientos y a los estudios realizados en 1906 por el zoólogo estadounidense Thomas H. Morgan sobre los cromosomas de la mosca del vinagre (Drosophila melanogaster), se pudo elaborar la teoría cromosómica de la herencia donde se estableció de manera inequívoca la localización física de los genes en la célula. Gracias a esta teoría se pudo dar también una explicaci6n definitiva a los casos en los que no se cumplían con exactitud las leyes de Mendel anteriormente citadas.

De manera parecida a Mendel, Morgan se dedico a cruzar de manera sistemática diferentes variedades de moscas del vinagre. Estas moscas ofrecían muchas ventajas con respecto a los guisantes ya que tienen un ciclo vital muy corto, producen una gran descendencia, son fáciles de cultivar, tienen tan solo cuatro cromosomas y presentan características hereditarias fácilmente observables, como el color de los ojos, la presencia o ausencia de alas, etcétera.

Herencia de genes ligados

La investigación con las moscas del vinagre proporcionó a Morgan evidencias de que los caracteres no eran heredados siempre de forma independiente tal y como había postulado Mendel en su tercera ley. Supuso que al haber solo cuatro cromosomas diferentes, muchos genes debían estar «ligados», es decir, debían compartir el mismo cromosoma y por ello mostrar una clara tendencia a transmitirse juntos a la descendencia. No obstante, las conclusiones realizadas por Mendel años atrás, no dejaban de ser correctas para los genes «no ligados». Solo la casualidad hizo que Mendel escogiese para los cruces de sus plantas características determinadas por genes situados en cromosomas distintos.

Herencia ligada al sexo

En uno de sus primeros experimentos, Morgan cruzó un macho de moscas de ojos rojos (normales) con una hembra que había encontrado casualmente y que tenía los ojos blancos. Las moscas que obtuvo en esta primera generación o F1 tenían todas los ojos rojos, tal y como se describe en la primera ley de Mendel. Pero cuando cruzó entre si estas moscas para obtener la segunda generación filial o F2, descubrió que los ojos blancos solo aparecían en las moscas macho y además como un carácter recesivo. Por alguna razón, la característica «ojos blancos» no era transmitida a las moscas hembras, incumpliendo, al menos parcialmente, la segunda ley de Mendel. Al mismo tiempo, en sus observaciones al microscopio, Morgan había advertido con extrañeza que entre los cuatro pares de cromosomas de los machos, había una pareja en la que los cromosomas homólogos no tenían exactamente la misma forma. Era como si a uno de ellos le faltase un trozo, por lo que a partir de ese momento a esta pareja se la denomino cromosomas XY. Sin embargo en la hembra, la misma pareja de cromosomas homólogos no presentaba ninguna diferencia entre ellos, por lo que se la denominó cromosomas XX. Morgan pensó que los resultados anómalos del cruzamiento anterior se debían a que el gen que determinaba el color de los ojos se encontraba en la porción que faltaba en el cromosoma Y del macho.

Por tanto, en el caso de las hembras (xx) al existir dos alelos, aunque uno de ellos fuese el recesivo (ojos blancos), el carácter manifestado era el normal (ojos rojos). En los machos, sin embargo, al disponer Únicamente de un alelo (el de su único cromosoma X), el carácter recesivo podía ser observado. De esta manera quedaba también establecido que el sexo se heredaba como un carácter más del organismo.

SENSORES

Q.B. Rodolfo Ruiz Torres

 

Gracias al avance de la tecnología nuestra vida se ha vuelto más cómoda, segura e incluso se alarga, esto lo vemos en un sin fin de maquinas industriales, electrodomésticos, equipo de computo, transporte etc., casi todo con la intervención de electricidad.

Con un botón se puede encender algo, dar ordenes e incluso cuando se duerme o divierte las maquinas velan por nuestra seguridad.

La primicia de su éxito es que pueden captar cosas más allá de los limites de nuestra percepción. El ser humano esta dotado de cinco sistemas fisiológicos de percepción denominados sentidos y en las máquinas que diseña el hombre a llamado sensores a sus métodos de percepción.    

Los sensores son dispositivos que ponen en manifiesto por métodos físicos o químicos, lo que no puede ser observado directamente. La definición anterior se puede confundir con la de detectores, pero con la variante de que  un detector es un tipo de sensor que únicamente es capaz de distinguir entre dos posibilidades o estados en los cuales el sistema este midiendo (sensor binario).

Existen varios tipos de sensores pueden ser sensores químicos si detectan la presencia de algún tipo de sustancia en particular por reacciones químicas, biológicos si están relacionados con la detección por medio de materiales biológicos (enzimas, anticuerpos, células o tejido) que interacciona con una sustancia (analito) el resultado de esta interacción se transduce en una señal medible físicamente, además existen sensores puramente físicos que miden alguna variable física (densidad, corriente eléctrica, presión etc.)

 

Sensores Físicos

 

Fotomultiplicador. Es un tipo de detector óptico que aprovecha el efecto de emisión secundaria de electrones para multiplicar y por lo tanto reforzar la emisión respondiendo a niveles muy bajos de iluminación. Consta de un fotocátodo (oxido de cesio u oxido de magnesio), dispositivo sensible a la luz que descarga electrones cuando se expone a cierto nivel de luminosidad (fotones de energía adecuada), el número de electrones emitidos por el fotocátodo es directamente proporcional a la cantidad de luz que incide en él. Se aprovecha la emisión secundaria al bombardear otros cuerpos igualmente sensibles, como existe la dependencia de energía en la liberación de electrones, a bajas tensiones en promedio se libera menos de un electrón secundario por cada primario incidente. Sin embargo para poder hablar de un efecto multiplicador el resultado debe ser mayor a 1; siempre que la tensión de aceleración de los electrones primarios sea superior a 100 volts se obtiene un factor de 10 y se puede elevar sustituyendo el electrodo de emisión secundaria por un grupo de ellos instalados en serie. Haciendo incidir el chorro primario de electrones liberados fotoeléctricamente sobre un conjunto adecuado de placas de emisión secundaria, se pueden obtener multiplicaciones de la radiación  primaria de un factor igual hasta 10⁹. A partir de este valor se presentan irregularidades que presenta el chorro de electrones debido a los fenómenos de calentamiento (zumbido térmico). El fotomultiplicador desempeña un papel importante en física al registrar centelleos generados por partículas energéticas utilizándose como fotómetro de extrema sensibilidad. No hace mucho el fotomultiplicador se empleaba para proyectar películas en el cine era un componente básico en los televisores, hasta la llegada de los sensores CCD (charge-coupled device) dispositivo de cargas eléctricas interconectadas.

 

Contador Geiger-Müller. Se da el nombre de desintegración radiactiva a cambios nucleares espontáneos que dan lugar a la formación de nuevos elementos. Este fenómeno va acompañado de la emisión de rayos muy energéticos sometidos a la acción de un campo magnético con tres componentes de radiaciones α, β, y γ. Los rayos alfa están formados por núcleos del gas noble helio (dos protones mas 2 neutrones), los rayos β están formados por electrones (de carga negativa o positiva); en cuanto a los rayos γ, constituyen una radiación ondulatoria electromagnética de longitud de onda extremadamente corta (menos de 10 pm). Los campos magnéticos desvían los rayos α y β en sentidos opuestos entre sí, sobre los rayos gamma no ejercen ningún efecto. A causa de la elevada energía que contienen, las tres clases de rayos son capaces de ionizar gases o impresionar una placa fotográfica, lo cual permite detectarlos por medios fotográficos o eléctricos. El contador Geiger-Müller detecta la emisión radiactiva eléctricamente, por ionización de una sustancia gaseosa. A tal efecto, un tubo está lleno de gas a bajo presión, al actuar sobre él la emisión radiactiva se inicia entonces un proceso de ionización por choque que a su vez origina un breve impulso de tensión en la resistencia del circuito; el impulso producido se amplifica, y se conduce al contador. La alta sensibilidad del tubo de Geiger se basa en la forma geométrica que se da a sus electrodos, pues el fino ánodo filiforme (polo +) está rodeado concéntricamente de un cátodo cilíndrico de mucha superficie (polo -), y así la probabilidad de que lo electrones liberados durante el proceso de ionización llegue enseguida al ánodo, es notablemente reducida; por regla general, dichos electrodos pasan primero de largo sin tocarlo, y debido al fuerte campo eléctrico de las líneas de campo concentradas en el mismo, se ven obligados a describir una trayectoria espiral en la que, antes de ir a parar definitivamente a dicho ánodo, originan nuevos procesos de ionización por choques semejantes al descrito. De esta manera se corrobora la existencia de estas radiaciones en un medio determinado de manera indistinta pero si queremos distinguir entre cuales de estas radiaciones está provocando la ionización al inicio del tubo de Geiger se coloca una ventana de tal material que permita el paso a uno de los tipos de radiación así podremos decir de cuál de ellas se trata.      

 

Detector de humo. Entre los ejemplos más comunes de sensores tenemos al detector de humo donde la detección puede ser óptica o iónica.  

En el caso de detección óptica el sistema consta de una corriente eléctrica producida por un haz infrarrojo el cual llega a ser interrumpido si la densidad del aire aumenta, esto debido a que el humo oscurece o dispersa el aire en ese espacio, con lo que solo una fracción de la luz emitida es detectada accionando una señal acústica, también se puede llegar a la activación de la alarma bajo el principio de refracción cuando estos sensores infrarrojos no estén frente a frente sino separados por una cámara y en un ángulo tal que el humo generado cambie la dirección de la oda al pasar de un medio a otro y sea detectado por el sensor. El caso del detector iónico este contiene el isótopo Am con una vida media de 432.2 años, el americio se desintegra emitiendo partículas alfa que pasan a través de una cámara abierta al aire que se ioniza por acción de los núcleos de helio, en la cámara se localizan dos electrodos que detectan los iones de forma constante generando corriente eléctrica, si el humo entrase en la cámara la ionización del aire disminuye y se activa la alarma.

 

Dosímetros. La radiación es medida por un buen número de razones, por su aplicación de manera industrial, en investigación y primordialmente porque estamos expuestos a ella de manera cotidiana. El termino dosimetría se refiere a la técnica empleada para la determinación de la dosis de radiación. Una de las técnicas es la luminiscencia ópticamente estimulada o termoluminiscencia (TL) y la dosimetría basada en esta técnica se denomina dosimetría termoluminiscente (TLD). La TL consiste en la emisión de la luz que ocurre durante el calentamiento de una muestra solida, previamente excitada al exponerla a radiación ionizante. La emisión de la luz se debe a que al ser irradiada, la muestra almacena parte de la energía incidente, la cual se libera por el calentamiento. La radiación modifica la configuración electrónica del solido a estados excitados, el calor es un activador que permite a los electrones  perturbados, regresar al estado base, emitiéndose en forma de luz la energía en exceso previamente almacenada.

Los materiales empleados en ello son llamados fósforos (emisión fosforescente) y su aplicación depende del rango de dosis de radiación a medir.

 

Contadores de agua. Sirven para medir la cantidad de agua consumida en una instalación. Midiendo la velocidad o el volumen. Los contadores de velocidad disponen de una hélice sumergida en la corriente cuya velocidad de rotación registra el contador. A cada número de revoluciones corresponde un valor determinado del caudal de agua consumido (m³/s), dicho caudal solo depende de la sección de la tubería y la velocidad de la corriente. Por lo tanto el tacómetro se gradúa en m³/s, tantas vueltas da la cantidad de agua consumida en ese tiempo. En los contadores volumétricos el agua llena periódicamente una cámara giratoria de volumen conocido. El ejemplo clásico en el contador de tambor que consiste en secciones con una zona más profunda que otra la cual, al momento de llenarse de agua rota por el peso generado hacia  una nueva sección donde sucede lo mismo. Para saber el volumen consumido en un periodo se cuentan las vueltas que ha dado en ese tiempo.

Sensor Biológico

 

En estos sensores el resultado es dependiente de dos factores la sensibilidad y la especificidad. La sensibilidad en este caso es la cantidad mínima requerida para que se lleve acabo la reacción o la cantidad mínima que se requiere de sustrato o analito para que se obtenga un resultado positivo.

 La especificidad es la probabilidad que tiene el material biológico de reaccionar o interactuar exclusivamente con un tipo de analito.

Glucosa. La gente que padece diabetes comprueba su nivel de glucosa en sangre poniendo una gota de sangre en una lamina de prueba, que esta dentro de un medidor portátil. Este dispositivo usa una lámina que tiene dos electrodos impresos y la enzima glucosa oxidasa, que es específica para la oxidación de la glucosa y sus reacciones siguientes dan lugar a una corriente cuyo valor es proporcional a la concentración de la glucosa.

La glucosa se determina después de una oxidación enzimática en presencia de glucosa oxidasa formando peroxido de hidrógeno que oxida los electrodos generando una corriente eléctrica, otra forma de determinar la glucosa consiste en una vez formado el H₂O₂  reacciona catalizado por la peroxidasa, fenol y 4-aminofenazona formando quinoneimina (rojo-violeta), cuya concentración es proporcional a la cantidad de glucosa.

 

      Glucosa + O₂ +H₂O à acido gluconico + H₂O₂

(GOD)

El peróxido reacciona junto con

4-aminofenazona + fenol (POD) à quinoneimina + 4H₂O

 

          hCG. La hormona Gonadotropina Corionica Humana (hCG) es una glicoproteina secretada por células externas de la placenta en desarrollo poco después de la implantación del embrión en las paredes del útero. En la primera semana después del embarazo los niveles de hCG son detectables (de 7 a 10 días después de la concepción) en orina y suero siendo esta hormona un excelente marcador para el diagnostico temprano del embarazo, sus niveles siguen en aumento hasta el rango de 100 – 300Ul/ml a los 2-3 meses para después estabilizarse en un valor medio de 5Ul/ml.

La prueba directa de embarazo permite una determinación cualitativa de la hormona y se basa en la reacción de aglutinación de esferas de látex recubiertas por un anticuerpo monoclonal.

Mediante el uso de anticuerpos monoclonales anti-hCG que recubren esferas de latex esta reacción induce la formación de enlaces cruzados entre esferas adyacentes, fácilmente visualizable por la aparición de aglutinación, una prueba de grado de especificidad para la fracción Beta de la hCG.

En consecuencia es un excelente marcador para una pronta confirmación del embarazo cuyo resultado depende de la concertación de hCG, en ausencia de niveles detectables de hCG no se establecen enlaces cruzados y por lo tanto, no hay aglutinación.

Comúnmente es reactivo-latex es sensible de 0.2UL/ml y con dos anticuepos monoclonales  B-especificos distintos lo que da lugar a una alta especificidad, no se detecta ninguna reacción cruzada con otras hormonas relacionadas tales como luteinita (LH), tireotropa (TSH) o la folículo estimulante (FCH).

 

ELISA. "Enzyme Linked Immuno Sorbent Asssay" por sus siglas en inglés que significan Ensayo Inmuno Enzimático Absorbente. Por este estudio se pueden detectar diversos gérmenes, tales como virus o protozoarios, mediante la detección de anticuerpos específicos contra ellos o alguno de sus antígenos. Consiste en mostrar por una reacción coloreada, la presencia de moléculas que se ligan de manera específica a proteínas con antígenos purificados. Es una prueba rápida donde un anticuerpo o antígeno se une a una enzima como medio para detectar una compatibilidad entre el anticuerpo y el antígeno. La prueba de  ELISA más conocida es la que se practica para la detección del condiloma del Virus de Inmunodeficiencia Humana (VIH), esta tiene un 99.5% sensibilidad, debe de quedar claro que ELISA es un nombre genérico de un tipo de prueba, ELISA no detecta virus, sino anticuerpos de determinados virus, y no se usa únicamente para VIH también se usa para detectar mononucleosis, brucelosis, en pruebas de alergia (detectar la cebada del gluten), etc. En el caso del VIH virus que provoca el Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida (SIDA) es empleada para detectar anticuerpos contra el VIH generados por el ser humano.  La prueba de ELISA no establece un diagnóstico de SIDA ya que en caso de resultar positiva debe hacerse una prueba confirmatoria llamada Western Blot. ELISA tampoco es un pronóstico del avance de la enfermedad y la prueba no es efectiva hasta cierto tiempo del posible contagio llamada periodo de ventana. El periodo de ventana o periodo de espera es el tiempo que una persona infectada tarda en desarrollar los anticuerpos al virus. Para el 97% aproximadamente de las personas infectadas, el periodo de ventana es de 3 meses. Después de 6 meses casi todas las personas que tengan el virus habrán desarrollado anticuerpos al mismo. Un resultado negativo 6 meses después del último riesgo es suficiente para descartar la posibilidad de infección. Es cierto que la mitad de las personas infectadas tienen anticuerpos detectables tres semanas después de la infección, pero se estableció un periodo de espera de tres meses para que los resultados fueran confiables para casi todos i.e si alguien resulta positivo en una prueba realizada antes de 6 meses puede que sus resultados no sean confiables.

Sensores Químicos

 

Un ejemplo de sensor químico es el método para detectar magnesio ya sea en suero plasma, orina o LCR.

Los iones magnesio reaccionan en medio alcalino con el colorante metalocromo calmagita, para dar un cromóforo, el cual absorbe luz a 520 nm, en estos casos se cuantifica la coloración por medio de un espectrofotómetro UV-Vis siendo la intensidad de la coloración proporcional a la concentración del analito en la muestra.

 

En el laboratorio de química mas básico es común tener indicadores acido-base uno de ellos es la fenoftaleina, compuesto que se obtiene por reacción del fenol (C₆H₅OH) y el anhídrido ftálico (C₈H₄O₃), en presencia de ácido sulfúrico.

Se lleva acabo una dilución alcohólica de fenoftaleina al 1% P/V en alcohol de 90°. Al agregar unas gotas a soluciones ácidas permanecen incoloras, pero en medio alcalino se torna color rosado, siendo su punto de transición cromática en un pH de 8.2-8.3.

Este indicador es útil determinando el cambio que sufre una sustancia al momento de la titilación de un medio acido a uno alcalino, en cambio no da indicios de virajes a pH menores de 8.2 por lo que es típico auxiliarse del anaranjado de metilo. El anaranjado de metilo (C₁₄H₁₄N₃NaO₃S) es un colorante, con cambio de color de rojo a naranja-amarillo entre pH 3,1 y 4,4. Se usa en una concentración de 1 gota (30ul) al 0.1% por cada 10 ml de disolución. A un pH de 3.1 es de color rojo y a 4.4 amarillo-naranja.

 

 

Bibliografia

 

1. Fisioquímica Vol. 2, Ira N. Levine, 5ta ed., McGraw Hill, 2004.
2. Grindler et AL,. Clin. Chem. 17, 662, 1972.
3. Wie Funktioniert das?, Bibliographisches Institut AG, Mannheim, 1963.
4. Introducción a la física nuclear, Azorín Nieto, Juan, AZVEG, 1997.
5. Física vol. 2, Resnick, Halliday, Krane, 5ta ed. CECSA, 2005.
6. Epistemus, No. 2, 2007, Dr. Rodolfo Bernal Hernández, Dra. Catalina Cruz Vázquez.