Biología Molecular

YISEL YOHANA GONZÁLEZ*, GUSTAVO GÓMEZ TABARES**

Se conoce como biología molecular a la subespecialidad de la ciencia dedicada al enten­dimiento de la estructura del ADN y el flujo de información biológica.

Este conocimiento ha permitido cruzar ba­rreras naturales entre especies y colocar genes de cualquier organismo, en otro organismo re­ceptor no relacionado, empleando la técnica del DNA recombinante.

Como consecuencia de la implementación de estas técnicas, se ha logrado la producción de fragmentos de ácidos nucleicos a gran escala, abriendo las puertas a la secuenciación de los ácidos nucleicos, y por ende a nuevas discipli­nas como el diagnóstico molecular, la terapia génica o la obtención de organismos transgénicos

¿Qué es el DNA?

Podemos considerar que el DNA o ácido desoxirribonucleico es la molécula que contie­ne la información biológica de un organismo, de la cual dependen la estructura y función de los organismos, entre las que se incluye su transmi­sión física a las siguientes generaciones.

La mayor cantidad del DNA de los organis­mos eucarióticos se encuentra en el núcleo, en forma de un complejo molecular de ADN y proteínas histonas formando la cromatina nu­clear; sin embargo, una pequeña fracción se localiza en las mitocondrias.

La información genética contenida en la molé­cula de DNA puede ser trasmitida por replicación exacta o ser intercambiada por una serie de proce­sos que incluyen entrecruzamiento, recombina­ción, transposición y conversión. Esto provee medios que aseguran la adaptabilidad y diversidad de los organismos; sin embargo, en algunos casos también puede desembocar en enfermedades.

Composición de los ácidos nucleicos

En 1953, Watson y Crick propusieron el modelo de la doble hélice para explicar la estructura secundaria para el DNA que revo­lucionó las Ciencias Biológicas pues tal es­tructura abría todo un camino de posibilidades para estudiar y comprender los mecanismos de la división celular y la transmisión de la información biológica de generación en gene­ración; además abrió el camino para com­prender cómo se expresa la información biológica en los procesos transcripción y traducción.

Existen dos tipos de ácidos nucleicos, DNA y RNA, que son polímeros de alto peso molecular constituidos por unidades elementa­les denominadas nucleótidos, los cuales, a su vez, están formados por tres componentes:

1.Una molécula de un azúcar de cinco car-bonos o pentosa: ribosa en el caso del RNA y desoxirribosa en el caso del DNA.

2. Una base orgánica nitrogenada: son com­puestos heterocíclicos cuyos anillos contienen compuestos además del carbono e hidrógeno, nitrógeno. Se dividen en:

– Purinas: adenina y guanina.
– Pirimidinas: citosina, timina y uracilo.

En todos los genomas analizados, las purinas y las primidinas se hallan en relación molecular 1:1. De acuerdo con el principio de complementariedad, la relación adenina + timina / guanina + citosina es de valor constante para cada especie animal.

3. Un grupo fosfato: los nucleótidos se unen químicamente entre sí, formando cadenas cuyo esqueleto está constituido por la unión entre un azúcar de un nucleótido y el fosfato del siguien­te, quedando las bases nitrogenadas en la parte central, 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, unidas cada una al C1 del azúcar (ver Figura 1).

purinas y pirimidinas

Estas bases son las que rinden especificidad al ácido nucleico.

En la mayoría de los organismos, con excep­ción de algunos tipos de virus, DNA es una doble cadena de polinucleótidos mientras el RNA es una cadena simple de polinucleótidos. Los nucleótidos para el DNA son: adenina, guanina, timina y citosina. Los nucleótidos para el RNA son adenina guanina, uracilo y citocina.

El DNA humano está presente en cada célu­la y tiene un tamaño de tres billones de nucleótidos; en él, algunas secuencias de nucleótidos son genes que codifican por alguna función biológica; sin embargo, más del 90% del genoma humano lo conforman regiones que no contienen genes que codifican por proteínas; desde el punto de vista práctico, puede ser extraído de cualquier célula para el estudio genético.

Composicion del DNA

Figura 1. Composición del DNA. Tomado de aspectos básicos de la biología molecular. Miguel A. Dasi.
Características de la estructura del DNA

La estructura del DNA presenta las siguien­tes características:

1.La molécula de DNA 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 DNA 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 (ver Figura 2).

Función del DNA

La función principal del DNA es mantener a través de un sistema de claves (código genético) la información para que ésta se exprese en una célula y se transmita a la descendencia durante el proceso de reproducción celular, por medio de la replicación para formar dos nuevas dobles hélices hijas.

La información biológica de los organismos se almacena en la secuencia específica de nucleótidos de adenina, guanina, citosina y timina del DNA, que actúan como plantilla para la transcripción de RNA; una vez que se ha trascrito un RNA mensajero, los ribosomas se encargan de sintetizar una determinada proteí­na. El flujo de información desde el DNA hasta las proteínas es, de acuerdo con Francis Crick, “dogma central de la biología molecular”.

biologia molecular
Figura 2. Estructura del DNA. Tomado de aspectos básicos de la biología molecular. Miguel.Dasi.

El RNA generalmente está formado por una sola cadena de nucleótidos, aunque existen al­gunos virus que poseen RNA de doble cadena. Este ácido, al igual que el DNA, está compues­to por nucleótidos cuya azúcar es la ribosa; una característica diferencia entre el DNA y el RNA es que además de tener azúcares diferentes, en el RNA la timina ha sido reemplazada por el uracilo.

De acuerdo con su función existen tres cla­ses diferentes de RNA: RNAm (mensajero), RNAr (ribosomal) y RNAt (de transferencia). Recientmente se han aislado y estudiado otras clases de RNA que incluyen los RNAsn (RNA pequeños nucleares) y los RNAmi (micor RNA) que ejecutan funciones claves en la regulación de la homoestasis celular.

Replicación del DNA

Una característica del DNA es la replicación, la cual le permite formar copias exactas de sí mismo; esto ocurre durante el proceso de repro­ducción, por lo que la descendencia presenta características similares a sus progenitores.

El mecanismo de replicación de la molécula de DNA propuesto por Watson y Crick y confir­mado experimentalmente por otros investiga­dores, se puede resumir en los siguientes puntos:

Separación de las dos cadenas que forman la doble hélice, de lo cual se encargan enzimas y proteínas que se encuentran en la célula eucariótica.

Por rompimiento de los enalces de hidrógeno que une las bases nitrogenadas complementa­rias de ambas cadenas, la doble cadena se abre a manera de una cremallera, quedando las bases nitrogenadas expuestas al medio ambiente celu­lar; así, cada una de las cadenas se convierte en un molde para que se forme una nueva secuen­cia complementaria.

Unión de los cebadores (‘primers’ o iniciado­res) de RNA en una de las hebras separadas (3’→ 5′).

Unión de la DNA polimerasa a los lugares donde se encuentra el ‘primer’ para comenzar a copiar, de manera progresiva, la hebra de DNA, ya que la polimerasa necesita un cebador que le indique dónde empezar, por ser incapaz de copiar DNA monocatenario. El sentido de la síntesis es siempre 5′ → 3′.

La elongación de las cadenas se produce por adición de nucleótidos complementarios a la cadena; este proceso ocurre mediante la forma­ción de enlaces covalentes que unen un nucleótido 5’trifosfato libre al extremo 5’fosfato del último nucleótido de la cadena que está siendo sintetizada

Al finalizar el proceso se producen dos moléculas idénticas de DNA.

De esta forma, de un DNA parental, tras su replicación, se obtienen dos moléculas hijas exactamente iguales (ver figura 3).

Características de la replicación del DNA

En la duplicación de la molécula de DNA se presentan las siguientes características:

Es semiconservativa ya que al final de la duplicación, cada molécula de DNA presenta una hebra original y una hebra nueva.

Es bidireccional, ya que a partir de un punto dado, la duplicación progresa en dos direcciones.

La replicación avanza adicionando mono­nucleótidos en dirección 5′ → 3′.

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