Biologia molecular

Biologia molecular

Animació de part d'una estructura d'ADN de doble hèliç.

La biologia molecular és la branca de la biologia que té com a objectiu l'estudi dels processos que es desenrollen en els sers vius des d'un punt de vista molecular. En el seu sentit modern, la biologia molecular pretén explicar els fenomens de la vida a partir de les seues propietats macromoleculares. Dos macromolécula en particular són el seu objecte d'estudi:

• Els àcits nucleicos, entre els quals el més utilisat és el àcit desoxirribonucleico (ADN), el component dels gens.
• Les proteïnes, que són els agents actius dels organismes vius.

Dins del Proyecte Genoma Humà pot trobar-se la següent definició sobre la biologia molecular: L'estudi de l'estructura, funció i composició de les molècules biològicament importants.

Biologia molecular i atres ciències

Esta àrea està relacionada en atres camps de la biologia i la química, particularment ingenieria genètica i bioquímica. La biologia molecular concernix principalment a l'enteniment de les interaccions dels diferents sistemes de la cèla, lo que inclou relacions tals com les que existixen entre el ADN i el ARN, la síntesis de proteïnes, el metabolisme, i el cóm totes eixes interaccions són regulades per a conseguir un correcte funcionament de la cèla.^{cita requerida}

La diferència entre la química orgànica i la biologia molecular o química biològica és que en la química biològica les molècules d'ADN tenen una història i, per això, en la seua estructura nos parlen de la seua història, del passat en el que s'han constituït, mentres que una molècula orgànica, creada hui, és sol testic de la seua present, sense passat i sense evolució històrica.

Característiques

Estructura d'una cèla.

En estudiar el comportament biològic de les molècules que componen les cèlules vives, la Biologia molecular roça atres ciències que aborden temes similars: aixina, per eixemple, juntament en la Genètica s'interessa per l'estructura i funcionament dels gens i per la regulació (inducció i repressió) de la síntesis intracelar d'enzimes i d'atres proteïnes. En la citologia, s'ocupa de l'estructura dels corpúsculs subcelares (núcleu, nucléolo, mitocondrias, ribosoma, lisosomas, etc.) i les seues funcions dins de la cèla. En la Bioquímica estudia la composició i cinètica de les enzimes, interessant-se pels tipos de catálisis enzimàtica, activacions, inhibició competitives o alostéricas, etc. També colabora en la Filogenético en estudiar la composició detallada de determinades molècules en les distintes espècies de sers vius, aportant valioses senyes per al coneiximent de l'evolució. No obstant, diferix de totes estes ciències enumerades tant en els objectius concrets com en els métodos utilisats per a conseguir-els. Aixina com la Bioquímica investiga detalladament els cicles metabòlics i l'integració i desintegració de les molècules que componen els sers vius, la Biologia molecular pretén fixar-se en preferència en el comportament biològic de les macromolécula (ADN, ARN, enzimes, hormones, etc.) dins de la cèlula i explicar les funcions biològiques del ser viu per estes propietats a nivell molecular.^{cita requerida}

Métodos

Els métodos que ampra esta nova ciència són fonamentalment els mateixos que la Biofísica, Bioquímica, i Biologia. Utilisa els anàlisis químics, qualitatiu i quantitatiu, els coneiximents de la Química orgànica, la Biologia de microorganismes i de virus, etc., pero revisten especial importància els nous microanalíticos tant físics com a químics. Mereixen destacar-se la microscopía electrònica, que permet resolucions que alcancen els 10 Amstrongs; la difracció de rajos X, que determina l'estructura i disposició espacial dels àtoms de les macromolécula; la ultracentrifugación diferencial, tant analítica com a preparativa, que permet separacions abans impossibles; la cromatografía de gasos, i, en fase líquida, la espectrografía d'infrarrojos, la Química en isòtops trazadores, l'espectrometria de masses, etc.^{cita requerida}

Tècniques

Clonació molecular

Erro al crear miniatura:

Image de transducció.

La clonació molecular s'utilisa per a aïllar i despuix transferir una seqüència d'ADN d'interés a un vector plásmido. Esta tecnologia d'ADN recombinant es va desenrollar per primera volta en la década de 1960. En esta tècnica, una seqüència d'ADN que codifica una proteïna d'interés es clona per mig de reacció en cadena de la polimerasa (PCR), i/o enzima de restricció, en un plásmido (vector d'expressió). El plásmido vector sol tindre a lo manco 3 característiques distintives: un orige de replicació, un Lloc de Clonació Múltiple (SCM) i un marcador selectiu (normalment resistència a antibiòtics). Ademés, aigües dalt del SCM es troben la regió promotora i la transcripció, que regulen l'expressió del gen clonat. Este plásmido pot insertar-se en cèlules bacterianes o animals. L'introducció d'ADN en cèlules bacterianes pot realisar-se per mig de transformació per captació d'ADN nuet, conjugació per contacte cèla-cèla o per mig de transducció per vector viral. L'introducció d'ADN en cèlules eucariota, com les cèlules animals, per mijos físics o químics es denomina transfecció. Existixen diverses tècniques de transfecció, com la transfecció en fosfat càlcic, la electroporación, la microinyecció i la transfecció en liposoma. El plásmido pot integrar-se en el genoma, donant lloc a una transfecció estable, o pot permanéixer independent del genoma i expressar-se temporalment, lo que es denomina transfecció transitòria.

L'ADN que codifica una proteïna d'interés es troba ara dins d'una cèlula i la proteïna pot expressar-se. Existixen diversos sistemes, com a promotors inducibles i factors específics de senyalisació celar, que ajuden a expressar la proteïna d'interés a nivells elevats. A continuació, es poden extraure grans cantitats d'una proteïna de la cèlula bacteriana o eucariota. La proteïna pot sometre's a proves d'activitat enzimàtica en diverses situacions, pot cristalizarse per a estudiar la seua estructura terciaria o, en l'indústria farmacèutica, pot estudiar-se l'activitat de nous fàrmacs contra la proteïna.

Reacció en cadena de la polimerasa

La reacció en cadena de la polimerasa (PCR) és una tècnica extremadament versàtil per a copiar ADN. En poques paraules, la PCR permet copiar o modificar una seqüència d'ADN específica de formes predeterminades. La reacció és extremadament potent i, en condicions perfectes, podria amplificar una molècula d'ADN fins a convertir-la en 1.070 millons de molècules en menys de dos hores. La PCR té moltes aplicacions, com l'estudi de l'expressió gènica, la detecció de microorganismes patógenos, la detecció de mutacions genètiques i l'introducció de mutacions en l'ADN. La tècnica PCR pot utilisar-se per a introduir llocs d'enzimes de restricció en els extrems de les molècules d'ADN, o per a mutar bases particulars de l'ADN, este últim és un método conegut com mutagénesis dirigida alloc. La PCR també pot utilisar-se per a determinar si un fragment concret d'ADN es troba en una biblioteca d'ADNc. La PCR té moltes variacions, com la PCR de transcripció inversa (RT-PCR) per a l'amplificament d'ARN i, més recentment, la PCR quantitativa que permet la medició quantitativa de molècules d'ADN o ARN.

Gel d'agarosa al dos per cent en tampó borat salino molejat en una font de gel.

Electroforesis en gel

SDS-PAGE

La electroforesis en gel és una tècnica que separa molècules pel seu tamany utilisant un gel d'agarosa o poliacrilamida. Esta tècnica és una de les principals ferramentes de la biologia molecular. El principi bàsic és que els fragments d'ADN es poden separar aplicant una corrent elèctrica a través del gel - degut a que la columna vertebral de l'ADN conté grups fosfat carregats negativament, l'ADN migrará a través del gel d'agarosa cap a l'extrem positiu de la corrent. Les proteïnes també poden separar-se en funció del tamany utilisant un gel SDS-PAGE, o en funció del tamany i el seu càrrega elèctrica utilisant lo que es coneix com Electroforesis en gel 2D.

Proteïnes teñir en un gel PAGE usant colorant blau de Coomassie.

Contingut

En profundisar en qualsevol fenomen biològic i pretendre explicar la naturalea íntima dels processos que determinen una propietat o una funció dels sers vius, entrem inevitablement en el camp de la Biologia molecular. Vejam, per eixemple l'estudi dels gens. Les clàssiques lleis de Mendel tenen la seua explicació immediata en el coneiximent morfològic i funcional dels cromosomas. Pero quan desigem saber la composició i forma d'actuació d'un gen necessitem penetrar a fondo en l'estructura del ADN doble helicoide de Watson i Crick, l'ordenament de bases púricas i pirimidímicas, és dir, la informació genètica.

Diagrama esquemàtic d'un cromosoma eucariótico ya duplicat i condensado (en metafase mitòtica). (1) Cromátida, cada una de les parts idèntiques d'un cromosoma despuix de la duplicació del ADN. (2) Centrómero, elloc del cromosoma en el qual abdós cromátida es toquen. (3) Braç curt. (4) Braç llarc.

En matisar la possibilitat de sintetisar una enzima per part d'un gen, devem seguir el procés de transmissió d'esta informació genètica del ADN nuclear al ARN mensager; l'activació dels aminoàcits pel ARN transportador, l'ordenació d'estos aminoàcits activats sobre el ribosoma d'acort en la pauta prefixada pel ARN mensager, l'obtenció de l'estructura primària de la enzima proteïna. Tots estos temes són objecte d'estudi de la Biologia molecular. Pero hi ha més; la proteïna, una volta sintetisada, deu ordenar-se en l'espai segons determinades regles que constituïxen la conformació espacial específica (estructures secundària i terciaria) i a voltes associar-se vàries molècules iguals o diferents per a constituir lo que s'ha cridat estructures cuaternaria i quinaria, de modo que les propietats biològiques de la molècula com enzima estan vinculades a esta ordenació espacial complexa. La molècula proteica aixina organisada pot resultar ser una enzima que, en la seua activitat catalítica, és susceptible de sofrir activacions o inhibició per determinades substàncies, accions estes de transcendental importància per a la vida de la cèla. De la mateixa manera, la Biologia molecular s'interessa per l'estructura química de les substàncies que componen les membranes biològiques i l'ordenació de les enzimes que realisen accions encadenades, p. eix., dins de les mitocondrias, núcleu i uns atres corpúsculs subcelares, per a explicar la mecànica dels cicles i processos bioquímics determinats per la Topoquímica celar.^{cita requerida}

Emparellament A=T en dos ponts d'hidrogen. Els ponts d'hidrogen es mostren com a llínees discontínues.

Els processos de reproducció dels virus, de les bactèrias, i dels organismes superiors tanquen multitut d'incògnites que tracta d'anar resolent la Biologia molecular. Les mutacions produïdes per agents físics (rajos X, rajos gamma, calor, etc.) o químics (substàncies mutágenas) tenen una explicació tant més satisfactòria quant millor es coneix la base molecular dels processos d'alteració en l'estructura i ordenació de les bases nitrogenades del ADN.^{cita requerida}

El parentesc entre espècies diferents de sers vius pot establir-se per mig de l'estudi individual comparat de les substàncies macromoleculares (proteïnes) elaborades per ells. Aixina, de la seqüència d'aminoàcits en l'hemoglobina, mioglobina, citocromos, hormones hipofisarias o insulina s'induïx el grau de proximitat filogenético, en demostrar-se l'evolució de la proteïna per mutacions progressives. Multitut de fenomens genètics com a selecció natural, adaptació a l'ambient, diferenciació de les espècies, etc., tenen la seua última explicació a nivell molecular. Per últim, la Biologia molecular de microorganismes està aportant senyes interessants per a la busca de nous antibiòtics i antimetabolitos, que permeten atacar eficaç i selectivament als germens patógenos.^{cita requerida}

En tot açò no volem afirmar que la Biologia molecular siga una ciència completa ni perfectament elaborada. Tot lo contrari; els nous descobriments, en resoldre una incògnita plantegen molts més interrogants que són objecte d'investigacions futures. Hui dia esta jove ciència està en expansió explosiva. Per un atre costat, l'última i definitiva explicació dels comportaments de les molècules dels sers vius requerix, per a ser coneguda en profunditat, enfrontar-se en atres branques de la ciència tals com la Biofísica submolecular (orbitals, forces d'enllaç, hibridació, etc.) i inclús la Física subatòmica, per a la qual es requerix un bagage de coneiximents que jamai pot ser patrimoni d'investigadors aïllats, sino d'equips de treball científicament heterogéneus, pero armónicamente conjuntados.^{cita requerida}

Biòlecs moleculars notables

• Francis Crick
• James Dewey Watson
• Rosalind Franklin
• Max Perutz
• François Jacob
• Christiane Nüsslein-Volhard
• Sever Ochoa
• Alberto Kornblihtt
• Linus Pauling

Bibliografia

• C. PETIT i G. PRÉVOST, Genetique et évolution, «Journal of Molecular Biologyu, Londres 1967; C. A. VILLE, Biologia, Mèxic 1966.
• ^{[enllaç trencat]} (anglés) (accedit el 15 de juny de 2009)