Introducción a la Biología Molecular
La biología molecular es la ciencia que estudia la estructura, la función y todos los aspectos de los ácidos nucleicos y otras macromoléculas presentes en las células. Esta disciplina se relaciona estrechamente con la bioquímica y la genética. Los ácidos nucleicos son macromoléculas orgánicas implicadas en todos los procesos de almacenamiento y expresión de la información genética.
Composición y Tipos de Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos son polímeros formados por la unión de nucleótidos. Cada nucleótido, a su vez, está compuesto por los siguientes elementos:
- Un grupo fosfato, derivado del ácido fosfórico (H3PO4).
- Un glúcido o monosacárido de cinco átomos de carbono (pentosa), que puede ser la ribosa o la desoxirribosa. Estos dos glúcidos se diferencian entre sí solamente en un átomo de oxígeno ausente en la desoxirribosa.
- Una base nitrogenada: adenina (A), guanina (G), citosina (C), timina (T) o uracilo (U).
En función del glúcido y las bases nitrogenadas que los forman, se distinguen dos tipos de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ARN está compuesto por ribosa y sus bases nitrogenadas son la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo; mientras que el ADN está compuesto por desoxirribosa y adenina, guanina, citosina y timina.
Estructura y Función de los Ácidos Nucleicos
Los ácidos nucleicos se organizan en estructura primaria y estructura secundaria.
- La estructura primaria consiste en la unión de miles o millones de nucleótidos, que forman largas cadenas o hebras. Cada grupo fosfato de un nucleótido se une al glúcido (ribosa o desoxirribosa) del siguiente nucleótido, dejando libres las bases nitrogenadas.
- La estructura secundaria consiste en la unión de dos cadenas de polinucleótidos a través de sus bases nitrogenadas y enrolladas espacialmente en forma de hélice.
Según el modelo de Watson y Crick, la doble hélice de ADN tiene dos cadenas antiparalelas y complementarias:
- Antiparalelas: porque tienen sentidos distintos, en la que una cadena está invertida respecto a la otra.
- Complementarias: en cuanto a su secuencia de bases nitrogenadas.
Las bases nitrogenadas se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno (fuerzas intermoleculares). Esta unión se realiza por parejas de acuerdo con un cierto criterio de complementariedad de las bases nitrogenadas, que se da en todos los procesos en los que intervienen ácidos nucleicos:
- En la unión entre nucleótidos de ADN, la adenina siempre se une con la timina (A-T) y la guanina con la citosina (G-C).
- En la unión entre nucleótidos de ARN, todas las bases se emparejan del mismo modo, excepto la adenina, que se une al uracilo (A-U).
| Característica | ARN | ADN |
|---|---|---|
| Glúcidos | Ribosa | Desoxirribosa |
| Bases nitrogenadas | A, G, C, U | A, G, T, C |
| Estructura | Cadena simple | Doble cadena |
| Ubicación | Núcleo celular y citoplasma | Núcleo celular (eucariotas) y citoplasma (procariotas) |
| Funciones | ARNm: copia el mensaje genético ARNr: forma ribosomas | Transmitir la herencia, dirigir los procesos de expresión y almacenar la información genética. |
El Mensaje Genético y el Dogma Central de la Biología Molecular
La información o mensaje genético del ADN tiene que llegar a los centros de procesamiento correspondientes, los ribosomas, y sufrir procesos de transformación. En la década de 1960 se estableció la dirección del flujo de la información genética en la célula, lo que se llamó el «dogma central de la biología molecular».
Durante el ciclo celular, la información fluye de la siguiente manera:
- Transcripción: La información genética fluye desde el ADN hasta el ARNm.
- Traducción: El ARNm se une a los ribosomas y participa junto con el ARNt en la síntesis de proteínas.
- Replicación: Durante la fase S del ciclo celular, la información genética se copia desde la molécula de ADN para generar dos copias que serán el material genético de las células hijas.
La Replicación del ADN
La replicación es el proceso por el cual el ADN sintetiza una copia complementaria de sí mismo. Tiene lugar en la fase S del ciclo celular, en el núcleo de las células eucariotas o en el citoplasma de las células procariotas.
Los procesos relacionados con la expresión de la información genética (replicación, transcripción y traducción) consisten en reacciones químicas donde intervienen las enzimas. Estas son proteínas con función catalítica que aceleran las reacciones al facilitar la orientación y proximidad de las moléculas.
Fases y Características de la Replicación
A. Proceso de replicación: Consta de tres fases: apertura y desenrollamiento de la doble hélice, síntesis de las nuevas cadenas y corrección de errores.
B. Características de la replicación:
- Semiconservativa: Porque en cada nueva molécula se mantiene una cadena del ADN original, llamada hebra molde.
- Bidireccional: Porque la síntesis de la nueva cadena se realiza en ambos sentidos de la horquilla de replicación.
C. Importancia biológica: La replicación garantiza la conservación de la información genética de la célula madre a las células hijas, asegurando una copia exacta de la secuencia de nucleótidos. Esto permite la perpetuidad de la información genética, aunque ocasionalmente se producen errores u mutaciones que permiten la evolución.
El Gen: La Base de la Vida
Un gen es el segmento de ADN con significado biológico; es decir, la unidad básica de información genética. Cada gen consta de un número específico de nucleótidos y actúa como un «bloque» o comando del «manual de instrucciones» del ADN. Los genes no realizan funciones biológicas por sí mismos, sino que indican cómo debe ser un carácter (como el color de ojos), siendo las proteínas las encargadas de hacer efectivo dicho carácter.
Procesos de Expresión Génica
Transcripción Genética
La transcripción es el proceso por el cual se sintetiza una cadena de ARNm a partir de un fragmento del ADN. Ocurre en el núcleo (eucariotas) o citoplasma (procariotas) y consta de tres fases: iniciación, elongación de la cadena de ARNm y terminación.
Traducción Genética
La traducción es el proceso por el cual se sintetizan las proteínas a partir del ARNm con la ayuda del ARNt y los ribosomas. Tiene lugar en el citoplasma celular y comprende tres fases: iniciación, elongación de la cadena peptídica y terminación.
El Código Genético
El código genético es el «diccionario» que establece la correspondencia entre el lenguaje de los nucleótidos del ARNm y el lenguaje de los aminoácidos de las proteínas.
Organización y Propiedades
A. Los tripletes de bases: El código se organiza en grupos de tres bases nitrogenadas denominados triplete o codón, cada uno de los cuales codifica un aminoácido. Existen 64 tripletes posibles para codificar los 20 aminoácidos esenciales. El triplete AUG marca el inicio de la traducción, mientras que otros tres tripletes marcan el final.
B. Propiedades del código genético:
- Es degenerado: Existen más tripletes que aminoácidos, por lo que varios tripletes (sinónimos) pueden codificar el mismo aminoácido.
- No es ambiguo: Cada triplete codifica siempre el mismo aminoácido.
- Es universal: Es utilizado por la totalidad de los organismos conocidos.
- Es unidireccional: El ARNm se lee en un único sentido, sin interrupciones ni saltos.
C. Lectura e interpretación: El ribosoma lee cada codón y permite que el ARNt, mediante su anticodón complementario, introduzca el aminoácido necesario. Solo se traducen las regiones señaladas para ser codificadas.
Alteraciones en la Lectura
A veces, el ribosoma puede interpretar mal un triplete o enviar una señal al ARNt equivocado. Esto produce cambios en la secuencia de aminoácidos de la proteína, lo que puede alterar su función biológica.
Mutaciones
Una mutación es un cambio en el ADN que afecta la expresión de la información genética. Sus características principales son:
- Se producen por azar (errores de replicación) o por agentes mutágenos (radiación UV, sustancias químicas como el benzopireno o virus).
- Se transmiten a la herencia si ocurren en los gametos o en organismos de reproducción asexual.
- Pueden ser silenciosas si no llegan a manifestarse en la actividad biológica.
- Son la fuente de variabilidad genética necesaria para la evolución.
Tipos de Mutaciones
- Génica: Afecta a la secuencia de nucleótidos aislados.
- Cromosómica: Afecta a fragmentos del cromosoma.
- Genómica: Afecta al número total de cromosomas del genoma.
Mutaciones y Variabilidad Genética
Cuando las mutaciones afectan a genes codificantes, pueden dar lugar a enfermedades cromosómicas, genómicas, cáncer o proteínas defectuosas. En cualquier caso, las mutaciones implican una variación en el material genético, proceso conocido como variabilidad genética.