BIOLOGÍA MOLECULAR

La Biología molecular es la disciplina científica que tiene como objeto de estudio los procesos que se desarrollan en los seres vivos a nivel molecular. Dentro del Proyecto Genoma Humano puede encontrarse la siguiente definición de Biología molecular: La Biología molecular consiste en el estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes.

La Biología molecular está relacionada con otros campos de la Biología y la Química, y particularmente con la Genética y la Bioquímica. Sin embargo, la Biología molecular concierne principalmente al entendimiento de las interacciones que se dan entre los diferentes sistemas de la célula, lo que incluye la relación entre ADN y ARN, la síntesis de proteínas, el metabolismo celular, y el cómo todas estas interacciones son reguladas para conseguir un afinado funcionamiento de la célula.

La Biología molecular aparece desde el descubrimiento de la doble hélice de ADN de Watson y Crick en 1953. Luego Francis Crick continúa con el descubrimiento del código genético en los 60′s. Es decir se descubrió que las bases del ADN se leen de a 3, y tres combinaciones de letras significan un aminoácido que formará parte de un polipéptido. Allí comienza a comprenderse como es la molécula de ADN y como lleva la información que contiene a la célula que la contiene. Es decir que el ADN se autoperpetúa, se transcribe a un mensajero que sale al citoplasma y es traducido a un polipéptido. A esto se lo denominó “Dogma central de la biología molecular”.

Luego aparece el descubrimiento de las enzimas de restricción que permiten cortar el ADN y así analizarlo. Nace allí la ingeniería genética. Eso permitió cortar y pegar a la molécula de ADN para estudiarla, analizar patologías en ciertos genes, etc. Hasta que, hacia fines de los 80′s, Karl Mullis descubre la técnica de PCR que revolucionó a la genética por su paracticidad y rapidez para amplificar una región de ADN en cantidad suficiente para luego hacer todo tipo de análisis.

HISTORIA

Muchos de los procesos biológicos fundamentales, como es el caso de las características y modo de actuar de los factores hereditarios, han podido ser explicados gracias a la aplicación de técnicas de investigación físico-químicas dando lugar a la disciplina científica denominada Biología Molecular. 

Aunque los procedimientos químicos han permitido adquirir unas ideas muy concretas sobre los fenómenos celulares, su campo de acción es limitado, ya que de la investigación con métodos puramente químicos sólo puede esperarse resultados que caigan dentro del campo de los conocimientos y experiencias de la química. Los fenómenos biológicos más complejos, como son, por ejemplo, el desarrollo de los organismos, el cáncer, la consciencia etc., no pueden estudiarse únicamente utilizando métodos químicos convencionales; para ello se precisan técnicas de investigación físico-químicas. 

El campo a cubrir por la Química Física en la Biología Molecular es tan amplio y profundo que parecería tarea imposible si no fuera porque, dentro de su heterogeneidad y complejidad, la vida está basada en unos materiales y principios relativamente simples (teoría cuántica, atómica y celular, catálisis, regulación, evolución y herencia). 

Puesto que la Química Física describe la naturaleza en términos de átomos, moléculas y energía, el carácter interdisciplinario de la Biología Molecular se hace aún más patente teniendo en cuenta que su ciencia madre, la Química Física, utiliza como herramienta fundamental de trabajo las matemáticas. Hay tres razones, por las que las matemáticas constituyen el lenguaje de la Química Física y de las Ciencias Físicas en general. En primer lugar, por su definición precisa; cuando una cantidad es definida por una ecuación, uno puede debatir sobre el ámbito de la definición, pero raramente lo hará sobre su significado. En segundo lugar, las matemáticas ofrecen la posibilidad de deducir predicciones que pueden ser sometidas a evaluación. La tercera razón es más sutil, y vital en ciencia, a partir de una expresión matemática, los científicos pueden estimar el error probable de la cantidad que están calculando. Esta estimación puede ser crucial, porque pocos experimentos científicos conducen a un “sí” o a un “no” claro, la mayoría de las veces las respuestas toman la forma de quizá sí o quizá no.

Hay un vídeo que encontramos que nos parece maravilloso como relata la historia de esta ciencia.

ESTRUCTURA DEL ADN

La estructura del ADN presenta las siguientes características:

1. La molécula de ADN está formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolla­das alrededor de un mismo eje, formando una doble hélice. Esta estructura tiene semejanza a una escalera de «caracol».

2. Las dos cadenas complementarias de polinucleótidos en el ADN son anti­paralelas, ya que una de las cadenas empieza por el extremo donde se encuentra el residuo 5', mientras que la otra lo hace por el extremo donde se encuentra el residuo 3' (3´significa que en ese extremo, la desoxirribosa tiene el –OH del carbono 3´ libre y 5´ se refiere al carbono 5´de la desoxirribosa que llevará el fosfato).

3. Las bases nitrogenadas de los nucleótidos se orientan hacia el interior de la doble  hélice, mientras que los grupos fosfato y las moléculas de azúcar se orientan hacia el exterior conformando un esqueleto azúcar-fosfato.

4. Las bases de ambas cadenas están unas frente a otras y se unen a través de puentes de hidrógeno: dos entre la adenina y la timina (A=T) y tres entre la guanina y la citosina (G = C).  

5. La longitud de cada vuelta en la hélice es de 3.4 ηm un nanómetro es igual a 10-9 m).

6. La distancia entre un par de nucleótidos y otro es de 0.34 ηm, por lo tanto, en cada vuelta debe haber 10 pares de nucleótidos.

ESTRUCTURA PRIMARIA

La estructura primaria viene dada por la secuencia de nucleótidos. Cuando se quiere representar la secuencia de un oligonucleótido o de un ácido nucleico, se representa mediante la terminología de cada una de las bases. Por ejemplo:

5'-ATCCCAGCCCGATTAAAGCC-3'

Esta secuencia representa un oligonucleótido con 20 bases, de las cuales 6 son adeninas (A), 3 son timinas (T), 8 son citosinas (C) y 3 guaninas (G).

El orden de la secuencia es muy importante, ya que en él reside la información contenida en el ácido nucleico; la orientación viene dada en el sentido 5' 3' ó 3' 5'; el 5' representa el extremo terminal del fosfato y el 3' el extremo final del átomo de carbono de la desoxirribosa.

ESTRUCTURA SECUNDARIA

Edwin Chargaff analizando las bases del DNA mediante métodos cromatográficos descubre que éstas no se encuentran en la misma proporción y que el número de adeninas es igual al de timinas y el de citosinas, al de guaninas.

 En 1953 James Watson y Francis Crick construyeron un modelo tridimensional del DNA con la configuración más favorable energéticamente combinando los datos obtenidos hasta entonces sobre él, los descubrimientos de Chargaff y la interpretación tridimensional de los espectros de difracción de Rayos X; esto último fue de gran importancia para la consecución de tal modelo, el cual consiste en una doble hélice antiparalela cuyo esqueleto fundamental está formado por las cadenas de azúcar-fosfato, quedando en la parte central las bases, enfrentadas las de una cadena con las de la otra complementaria y formando entre sí puentes de hidrógeno, factor que da estabilidad a la doble hélice. El enfrentamiento de bases es constante; la adenina siempre se enfrenta con la timina y entre sí se forman dos puentes de hidrógeno, y la guanina con la citosina, formándose entre ambas tres puentes de hidrógeno. Esta característica provoca que las dos cadenas sean complementarias. Las dos cadenas de la doble hélice tienen sentidos opuestos, mientras una va en sentido 5' 3 ', la otra lo hace en sentido 3' 5'. Por eso hablamos del DNA como una doble hélice antiparalela.

ESTRUCTURA TERCIARIA Y CUATERNARIA

Teniendo en cuenta que la longitud de una hebra de DNA humano es de varios metros, por necesidad debe adoptar otras estructuras para poder estar en el interior celular. Estas estructuras, terciaria y cuaternaria, permiten el empaquetamiento del DNA formando los cromosomas. En las células eucariotas existen varios cromosomas y en los procariotas existe un DNA empaquetado denominado seudocromosoma.

ESTRUCTURA DEL ARN

El ARN generalmente está formado por una sola cadena de nucleótidos, aunque existen algunos virus que poseen ARN de doble cadena.

Los ácidos ribonucleicos no sólo pueden tener información propia, sino que constituyen la herramienta para la conversión de la información contenida en el DNA en proteínas específicas.

Estructura química

Como el ADN, el ARN está formado por una cadena de monómeros repetitivos llamados nucleótidos. Los nucleótidos se unen uno tras otro mediante enlaces fosfodiéster cargados negativamente.

Cada nucleótido está formado por una molécula de monosacárido de cinco carbonos (pentosa) llamada ribosa (desoxirribosa en el ADN), un grupofosfato, y uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados llamados bases: adenina, guanina, uracilo (timina en el ADN) y citosina.

Muchos ARN contienen además de los nucleótidos habituales, nucleótidos modificados, que se originan por transformación de los nucleótidos típicos; son característicos de los ARN de transferencia (ARNt) y el ARN ribosómico (ARNr); también se encuentran nucleótidos metilados en el ARN mensajero eucariótico.

ESTRUCTURA SECUNDARIA

A diferencia del ADN, las moléculas de ARN son de cadena simple y no suelen formar dobles hélices extensas. No obstante, sí se pliega como resultado de la presencia de regiones cortas con apareamiento intramolecular de bases, es decir, pares de bases formados por secuencias complementarias más o menos distantes dentro de la misma hebra. El ARNt posee aproximadamente el 60% de bases apareadas en cuatro brazos con estructura de doble hélice.

ESTRUCTURA TERCIARIA

La estructura terciaria del ARN es el resultado del apilamiento de bases y de los enlaces por puente de hidrógeno entre diferentes partes de la molécula. Los ARNt son un buen ejemplo; en disolución, están plegados en forma de "L" compacta estabilizada por apareamientos de Watson y Crick convencionales (A=U, C=G) y por interacciones de bases entre dos o más nucleótidos, como tripletes de bases; las bases pueden donarátomos de hidrógeno para unirse al esqueleto fosfodiéster; el OH del carbono 2' de la ribosa es también un importante dador y aceptor de hidrógenos.

REPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN DEL ADN

El dogma central de la Biología involucra esencialmente la duplicación del ADN, la transcripción de la información contenida en el ADN en forma de ARN y la traducción de esta información del ARN a la proteína. Este principio se puede resumir de la siguiente manera:

REPLICACIÓN

TRANSCRIPCIÓN 

TRADUCCIÓN 

TALLER DE REPASO

EJERCICIOS DE REPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN

1. Dada la siguiente cadena de anticódones 

UCAUCAUGCCUCCAUCAU 

escribir:

a. El ARNm que dirige la traducción.

b. La proteína resultante del proceso.

c. El ADN portador del gen.

2. Dada la siguiente cadena de ADN:

3´TACGGCATAGAGTCGATTGCGTAG5´

a. Construir su cadena complementaria.

b. Construir el ARNm de la transcripción de la cadena.

c. Construir la proteína resultante de traducir el ARNm.

3. El siguiente ARNm tiene la información para fabricar una proteína que ha de ser secretada fuera de la célula:

AUGGAACGCUUUCGAUAA.

a. ¿Cuál es la cadena de ADN que ha dado lugar a este mensajero?

b. ¿Cuál es la proteína que saldrá de traducir el mensajero?

4. Escribe la cadena complementaria y el mensajero resultante de la transcripción del siguiente ADN:

5´AGGTACCTATGATGCAT3´:

a. ¿Cómo serán los anticódones de los transferentes que intervendrían en la traducción?

5. Dada la siguiente molécula de ADN:

3´CCGTTAATTACGGAATAGAGTCGATTGCCTAG5´

GGCAATTAATGCCTTATCTCAGCTAACGGATC

a. Construir el ARNm resultante.

b. Construir la proteína resultante de traducir el ARNm.

6. Dada la siguiente proteína:

Met-Trp-Glu-Gly-Ala-Phe.

a.     Construir un posible ARNm que codifique para esos aminoácidos.

CARICATURA