Conceptos Fundamentales de Biología Molecular

Definición y Alcance

• Rama de la biología concerniente al desarrollo biológico a nivel molecular.
• Conociendo propiedades de las moléculas, se pueden analizar y replicar diversos comportamientos de los sistemas vivos (S.V.).
• Al estudiar los fenómenos biológicos en el ámbito molecular, se toman en cuenta las macromoléculas, proteínas y ácidos nucleicos.
• Las macromoléculas están compuestas por miles o cientos de átomos y son el resultado de procesos que ocurren en los organismos vivientes.

Objetivos e Importancia

• Formar recursos de calidad en el área de la medicina genómica, capaces de participar en la generación de conocimientos científicos en el proceso salud-enfermedad de manera ética y profesional.
• Importancia en el área medicinal, por ejemplo, para obtener diagnósticos más eficaces de diferentes tipos de enfermedades genéticas o infecciosas.
• Prevenir enfermedades.

Componentes Bioquímicos Esenciales

Minerales

Elementos Naturales

Se clasifican en macrominerales y oligoelementos.

Macrominerales y Oligoelementos

• Son minerales que el organismo requiere en mayor cantidad.
• Representan aproximadamente el 4% o 5% del peso corporal en minerales.
• Sirven para el funcionamiento del organismo, la formación de huesos y la regularización del ritmo cardíaco y producción de hormonas.
• Algunos de ellos son: fósforo, calcio, potasio, magnesio, cloro y el azufre.

Microminerales

• Son aquellos que el organismo ocupa, pero en menores cantidades.

Ejemplos: yodo, flúor, zinc, cobre, hierro.

Lípidos

Son compuestos no solubles; se disuelven en solventes orgánicos (polares y apolares).

Al ser consumidos en exceso, pueden obstruir las arterias.

Se clasifican en 2 grupos principales (implícito en la lista siguiente):

Están presentes en lipoproteínas, fosfolípidos, colesterol, grasas trans, grasas insaturadas y saturadas.

Proteínas

Son necesarias para el crecimiento, ayudan a los jugos gástricos, funcionan como hormonas, son catalizadores biológicos y transportan varios gases.

Se encuentran en: huevos, carne, leche, pan, pescado, soya, legumbres y cereales.

Carbohidratos

Se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Son nutrientes esenciales en la alimentación; se encuentran en la fruta, verduras, leche y legumbres.

Son biomoléculas que contienen oxígeno, hidrógeno y carbono.

Agua

Moléculas de hidrógeno y oxígeno esenciales para el funcionamiento del cuerpo humano y para la vida.

Ácidos Nucleicos y Expresión Génica

ADN (Ácido Desoxirribonucleico)

• Función: Almacena la información genética. Incluye la replicación (copias idénticas de material genético) y la expresión del mensaje genético.
• Estructura: Se representa en forma de doble hélice, forma que está determinada principalmente por la desoxirribosa.
• Conformación: Ácido fosfórico, azúcar desoxirribosa, bases nitrogenadas.
• Ubicación: Núcleo, mitocondrial.
• Tipos: ADN nuclear y ADN mitocondrial.

ARN (Ácido Ribonucleico)

• Función: Interpretar la información codificada en el ADN y convertirla en proteínas.
• Estructura: Secuencia de nucleótidos organizado en una sola cadena.
• Conformación: Ácido fosfórico, azúcar ribosa y bases nitrogenadas.
• Ubicación: Núcleo, citoplasma y ribosomas.
• Tipos: ARNm, ARNt y ARNr.

Código Genético

Se refiere a las instrucciones que contiene un gen y que le indican a una célula cómo producir una proteína específica.

El código de cada gen usa las 4 bases nitrogenadas del ADN de diversas maneras para deletrear los codones de 3 letras que especifican qué aminoácidos se necesitan.

Cada conjunto de 3 bases nitrogenadas se le conoce como codón. Al código del ADN se le llama triplete y se pueden obtener 64 posibles combinaciones cuando se utilizan secuencias de 3 bases, resultando en 64 codones diferentes.

Funciones de las Proteínas

• Reservas: Almacén de aminoácidos; almacena hierro en el bazo.
• Estructural: Colágeno, elastina; forma tendones, huesos y piel.
• Hormonal: Regula el metabolismo del calcio y fósforo, ayuda a la comunicación entre células.
• Transporte: Transporta oxígeno y lípidos en la sangre.
• Defensiva: Sirve como defensa inmunológica y ayuda a la coagulación de la sangre.
• Contractil: Contracción muscular y formación de microtúbulos en el citoesqueleto.

Síntesis de Proteínas

Se conoce como síntesis de proteínas al proceso por el cual se componen nuevas proteínas a partir de los 20 aminoácidos esenciales.

Procesos de Replicación y Expresión del ADN

Replicación del ADN

1. Se inicia cuando la enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, abriendo la molécula de ADN a la mitad desenrollada.
2. A medida que la molécula se va abriendo, los nucleótidos libres se aparean con las bases de las cadenas sencillas (con ayuda del ARN).
3. Existen varios tipos de enzimas polimerasas y cada una tiene una función específica.

Transcripción de ADN a ARN

• El proceso de transcripción consiste en la formación de una molécula de ARN a partir del ADN.
• Inicia con la apertura de la doble hélice en una región concreta.
• La enzima principal que participa en la transcripción es la ARN polimerasa.

Traducción

La traducción es la base de ensamblaje de proteínas, donde el ARN se decodifica para producir una cadena de aminoácidos en un orden específico, siguiendo las direcciones del ARN.

El ARN transporta los aminoácidos correspondientes.

Estructura y Ciclos de los Virus

Estructura y Forma de los Virus

Los virus miden aproximadamente la mitad de una centésima parte de lo que mide una bacteria, siendo mucho más pequeños.

La mayoría de los biólogos no los consideran seres vivos porque no cumplen con todos los requisitos de la vida: no respiran, no crecen, ni se mueven. Lo único que pueden hacer es reproducirse y necesitan estar dentro de una célula viva.

La célula en la cual se reproducen se llama célula huésped.

Estructura Viral

Un virus está compuesto por un centro de ácido nucleico rodeado por una o dos cubiertas formadas de proteína.

El centro de ácido nucleico contiene su material genético.

Reconocimiento de una Célula Huésped

La forma de un virus es importante en la reproducción viral. Antes de que el virus pueda entrar a la célula y reproducirse, primero debe reconocer un lugar receptor específico y sujetarse a él.

Acoplamiento

El acoplamiento es un proceso específico.

Cada proteína de acoplamiento tiene su forma particular debido a su secuencia de aminoácidos.

Ciclos Reproductores Virales

Una vez acoplado a la membrana plasmática de la célula huésped, el virus debe llegar adentro y apoderarse del metabolismo de la célula.

Solo así el virus puede reproducirse. Algunos virus tienen formas que les permiten inyectar su ácido nucleico en la célula huésped.

Otros tienen formas que les permiten abrirse paso haciendo una hendidura en la membrana plasmática, la cual los encierra y se desprende, dejándolos dentro de una vacuola.

Ciclo Lítico

Una vez dentro de una célula, el virus destruye el ADN del huésped. El virus se apodera del metabolismo de la célula y programa a su manera las actividades metabólicas de la célula.

Ciclo Lisogénico

No todas las infecciones virales son fatales para las células huésped. Algunos virus pueden atacar, pero no siempre matan a la célula; estos solo se integran con el cromosoma de la célula huésped.

Esta integración puede seguir sin ser detectada por varios años.

Genética Molecular Aplicada

Genes

• ¿Qué son los genes? Es un segmento corto de ADN; todos los genes en conjunto forman el genoma.
• ¿Cuál es la función del gen? Le dicen al cuerpo cómo producir proteínas específicas. Hay aproximadamente 20,000 genes en cada célula y juntos forman el material hereditario para el cuerpo humano.
• ¿Dónde se encuentran los genes? Están compuestos de ADN y se encuentran en los cromosomas.
• ¿Cómo operan los genes? Contienen la información necesaria para producir moléculas llamadas proteínas, actuando como molde o patrón que determina el tipo de moléculas y el lugar donde deben ir conforme al código genético.

Clasificación de los Genes

• ADN Inoperante: Aquel cuya función puede estar relacionada con el desarrollo celular y estos pueden ser los que marcan el ritmo de la expresión genética.
• Homogenes: Son los genes que codifican factores de transcripción responsables de la activación de otros genes; muchos contienen secuencias de ADN.
• Transposones: Pueden moverse por sí mismos y se insertan en distintas secuencias genéticas.
• No Autónomos: Requieren la presencia del gen de otro transposón y de la enzima transposasa para moverse.
• Familias Inteligentes: Son familias similares que se presentan a lo largo del material genético y que se expresan conjuntamente ya que sus funciones son parecidas y deben trabajar juntas.

Ingeniería Genética

Procedimiento que consiste en partir el ADN de un organismo en fragmentos pequeños.

El gen se localiza, aísla y modifica para después insertarlo.

El ADN recombinante es el ADN que se fabrica conectando fragmentos de ADN.

Organismos Transgénicos

A los organismos con ADN recombinante se les llama organismos transgénicos.

Los vectores transfieren el ADN:

• Vectores Mecánicos: Son pistolas de genes que disparan balas muy pequeñas recubiertas con trozos de ADN.
• Vectores Biológicos: Son los que usan virus y plásmidos.

Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

La polimerasa es la enzima responsable de replicar el ADN.

La PCR es un proceso para hacer muchas copias de un trozo de ADN.

¿Para qué sirve la PCR?

• En investigación bioquímica y médica.
• Permite preparar fragmentos de ADN para su clonación en plásmidos bacterianos.
• Es imprescindible para el desarrollo científico.

Clonación de Genes

Después de que el ADN se une a un vector, el ADN recombinado se transfiere a la célula huésped.

Es el proceso de hacer copias adicionales de ADN en forma de clonación.

A cada molécula de ADN recombinante genéticamente idéntica se le llama clon de genes.