Aspectos Básicos de la Biología Moleculas (1)

Boletín Oncológico
Aspectos Básicos de la Biología Moleculas (1)
Autor Miguel Angel Dasi
INTRODUCCIÓN
La Biología Molecular es una ciencia cuyo objetivo
fundamental es la comprensión de todos aquellos procesos
celulares que contribuyen a que la información genética se
transmita eficientemente de unos seres a otros y se
exprese en los nuevos individuos.
Este conocimiento ha permitido cruzar barreras naturales entre
especies y colocar genes de cualquier organismo en un organismo
hospedador no relacionado mediante el empleo de técnicas de
ingeniería genética. Una de las consecuencias importantes
derivadas fue 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 superiores recombinantes.
Cronológicamente podemos citar una serie de hitos que
contribuyeron decisivamente en su desarrollo: la historia de su
conocimiento comienza en el año 1866 cuando Mendel publica sus
experimentos conducentes a los principios de segregación y
clasificación independiente de los genes. En 1869 el científico
suizo Frederick Miescher descubrió en el núcleo de las células
una sustancia de carácter ácido a la que llamó nucleina. En
los años 20, el químico alemán Robert Feulgen, utilizando una
tinción específica, descubrió que el DNA estaba situado en los
cromosomas. A partir de este descubrimiento todo sucedió muy
rápidamente. En 1944 Avery, McCleod y McCarty comprueban que el
DNA es el portador de la información genética. En 1953 Watson y
Crick revelan la estructura del DNA como una doble hélice
complementaria que recuerda la estructura de una escalera de
caracol. A partir de entonces y de manera exponencial, se suceden
los descubrimientos (enzimas de restricción, polimerasas, etc. )
que conducirán a lo que se conoce como tecnología del DNA
recombinante.
¿Qué es el DNA?
Podemos considerar el DNA o ácido desoxirribonucleico, como
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el cerebro ce1ular que regula el número y naturaleza de cada
tipo de estructura y composición celular, transmitiendo la
información hereditaria y determinando la estructura de las
proteínas, que a través de enzimas determinará el resto de
funciones celulares.
A finales del siglo pasado se descubrió también la
existencia de una segunda clase de ácido nucleico, denominado
ácido ribonucleico (RNA). El RNA se encuentra tanto en el
núcleo (concretamente en el nucleolo) como en el citoplasma de
las células de manera abundante.
Ambos tipos de ácido nucleico, DNA y RNA, se
encuentran simultáneamente en organismos eucariotas (con
células de núcleo diferenciado) y procariotas
(bacterias, etc.), y sólo uno de ellos en los virus.
COMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos polímeros de alto peso molecular
constituidos por unidades elementales denominadas "nucleótidos",
los cuales están formados por tres componentes:
1.Molécula de azúcar
Ribosa, en el caso del RNA
Desoxirribosa, en el caso del DNA
2.Base orgánica nitrogenada
Adenina, guanina (bases púricas), citosina y timina
(bases pirimidínicas) en el caso del DNA.
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Adenina, guanina (bases púricas), citosina y uracilo
(bases pirimidínicas) en el caso del RNA.
3.Grupos fosfato
Los nucleótidos se unen formando cadenas cuyo esqueleto está
formado por la unión entre el azúcar de un nucleótido y el
fosfato del siguiente, quedando las bases nitrogenadas en la
parte central, unidas cada una al C1 del azúcar. Estas bases son
las que rinden especificidad al ácido nucleico.
ESTRUCTURA DEL DNA
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.
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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.
Estructuras 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 RNA
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El RNA generalmente está formado por una sola cadena de
nucleótidos, aunque existen algunos virus que poseen RNA 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.
PROPIEDADES DEL DNA
Las hebras del DNA que forman la hélice tienen orientaciones
opuestas: una va en la dirección 5'-3'y su complementaria en la
3'-5'. La ruptura de los puentes de hidrógeno por calor, álcali
o diversos compuestos químicos, produce la separación física
de las dos hebras del DNA en un proceso denominado desnaturalización.
La desnaturalización por calor es total a los 90ºC y por
álcali a pH superior a 11,3. El proceso es reversible en ambos
casos y al desaparecer el agente desnaturalizante se
produce la renaturalización de la molécula, esto es, la
readquisición de la estructura helicoidal perdida.
El proceso de desnaturalización va seguido por un aumento de
la absorción de luz ultravioleta (260 nm) denominado efecto
hipercrómico.
Otro concepto interesante de definir es el de temperatura
de fusión (Tm), que es la temperatura a la que la mitad de
las moléculas de una solución de ácido nucleico han pasado a
estado desnaturalizado. Esta temperatura depende del número de
pares G-C que existan en la molécula de ácido nucleico. Cuanto
mayor sea éste mayor será la Tm.
FUNCIONES DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
- DNA: Su función principal consiste en la
conservación de la información de la célula u organismo que lo
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contiene y la transmisión de esta información al replicarse.
- RNA: En algunos virus su función es contener y
transmitir información. Pero, como hemos citado anteriormente,
su función más importante consiste en la conversión de la
información contenida en el DNA en proteínas específicas. Para
ello existen varios tipos de RNA: RNA mensajero (RNAm), RNA
transferente (RNAt) y RNA ribosómico (RNAr).
DOTACIÓN GENÉTICA DE LOS VIRUS
Los virus pueden tener DNA dúplex, DNA monocatenario, RNA
monocatenario o RNA dúplex. En algunas ocasiones, el genoma
vírico dispone de la información biológica necesaria para que
la maquinaria de la célula a la que parasita trabaje para él y
en otras posee la información para realizar por sí mismo
las diferentes funciones para su replicación.
DOTACIÓN GENÉTICA DE LAS BACTERIAS
Las bacterias, al igual que los organismos eucariotas, poseen
los dos tipos de ácidos nucleicos antes citados: DNA, componente
de su único cromosoma, y los diferentes ácidos ribonucleicos
(RNAr, RNAt, RNAm). Además, las bacterias también tienen cierta
cantidad extra de DNA que suele encontrarse circularizado y
repetido varias veces, denominado DNA extracromosómico o DNA
plasmídico y, aunque puede no contener una información
específica (plásmido críptico), normalmente codifica factores
de resistencia a los antimicrobianos, como b
-lactamasas, etc.
CROMATINA Y CROMOSOMAS
El DNA nunca está desnudo. En eucariotas interacciona con una
gran variedad de proteínas, se espiraliza y condensa para
formar la cromatina y los cromosomas.
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Los cromosomas constituyen el orden superior de
empaquetamiento del DNA y se pueden visualizar al microscopio
óptico. La unidad estructural por debajo del cromosoma es la
fibra de cromatina que se puede visualizar al microscopio
electrónico. Esta fibra está compuesta por 6-7 nucleosomas por
vuelta. Cada nucleosoma es un disco formado por un octámero de
proteínas básicas denominadas histonas, donde exteriormente se
enrolla el DNA.
REPLICACIÓN DEL DNA
Como dijimos anteriormente, el DNA está formado por dos
hélices complementarias unidas por enlaces débiles de puentes
de hidrógeno que pueden romperse y volverse a formar simplemente
calentando y enfriando. A estos procesos se les llama
respectivamente desnaturalización y renaturalización del
DNA.
Partiendo de este concepto y de manera muy esquemática, la
replicación del DNA en la naturaleza consiste en:
1.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.
2.Unión de los cebadores ('primers' o iniciadores) de DNA en
una de las hebras separadas.
3.Unión de la 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'.
4.Constitución de las nuevas copias siempre formadas por una
hebra madre y otra hija, por lo que al proceso se le denomina
replicación semiconservativa del DNA.
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De esta forma, de un DNA parental, tras su replicación, se
obtienen dos moléculas hijas exactamente iguales.
Horquilla replicativa del DNA con todas las enzimas implicadas
en la síntesis. Es necesaria la existencia de un
"primer" para que la DNA polimerasa de E. coli inicie
cadenas de novo. Este "primer" es proporcionado
por una RNA polimerasa llamada primasa, la cual en asociación
con un complejo de proteínas llamado primosoma sintetiza una
cadena corta de RNA. La DNA polimerasa III puede utilizar este
"primer" para continuar la síntesis de DNA. Una
proteína llamada helicasa (originalmente llamada rep) es
necesaria para desenlazar y abrir la hélice de DNA para permitir
la replicación. Las proteínas de enlace a ssDNA se encargan de
estabilizar las regiones de simple cadena que se forman
transitoriamente durante el proceso de replicación. La DNA
polimerasa puede sintetizar DNA en la dirección 5' ® 3', por lo que una de las hebras debe ser
sintetizada discontinuamente, esto lleva a la formación de
cortas cadenas de DNA con huecos entre ellas que deben ser
completados por la acción de la DNA polimerasa I y unidos por la
acción de una DNA ligasa.
DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA
MOLECULAR
¿Cómo hace una molécula de DNA para codificar una
proteína?
Transcripción: La información del
DNA es transferida al RNAm, que es sintetizado utilizando como
molde el DNA original y dirigido por la holoenzima RNA
polimerasa. Este RNAm será transportado desde el núcleo a los
ribosomas que se encuentran en el citoplasma.
Traducción: La factoría celular
responsable de la síntesis de proteínas es el ribosoma. La
molécula especifica que va a trasladar los aminoácidos
(componentes elementales de las proteínas) siguiendo las pautas
dictadas por el RNAm es el RNAt. Cada RNAt tiene un anticodon
especifico (formado por tres bases).
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Una proteína cargada denominada aminoacil tRNA sintetasa es
la encargada de unir el aminoácido correcto correspondiente al
anticodon a una posición de anclaje. De esta manera, a partir de
una señal de iniciación en el RNAm (codon ATG), comienza la
síntesis y el primer aminoácido transportado por el RNAt y
correspondiente a este codon es la metionina. Este primer paso se
denomina iniciación de la traducción y tiene lugar en una
posición concreta del ribosoma denominada aminoacil (A).
Posteriormente este RNAt junto con su aminoácido correspondiente
salta a una posición contigua denominada peptidil (P) y llega un
nuevo RNAt con el correspondiente aminoácido para anclarse en su
codon y se sitúa en la posición A que ha quedado libre. Entre
ambos aminoácidos se establece una unión peptídica y el RNAt
de la posición P es liberado, comenzando el proceso de nuevo.
Este proceso de elongación continua hasta llegar a un codon de
parada.
Una vez sintetizada la proteína puede sufrir modificaciones
postranscripcionales (cortes por enzimas proteolíticas,
fosforilaciones, glicosilaciones etc...
LA BELLEZA DE LAS MUTACIONES
Sabemos que cada gen es una secuencia de ácido nucleico que
transporta información representando un polipéptido particular.
Un gen es una entidad estable, pero puede sufrir un cambio en su
secuencia. A ese cambio se le llama mutación. Sin
embargo, las mutaciones son importantes ya que nuestro medio
sufre cambios constantes y nosotros debemos cambiar con
él o quedaremos obsoletos y moriremos.
Uno de los mecanismos de cambio es a nivel del DNA. Las
mutaciones pueden dar lugar a nuevos genes y funciones que
adapten nuestro organismo a los cambios del medio ambiente en el
que vive.
Hay distintos tipos de mutaciones:
- Mutaciones cromosómicas:
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· Translocaciones: Implican un intercambio de
grandes fragmentos de DNA entre dos cromosomas diferentes.
· Inversiones: Aparecen cuando una región del
DNA cambia su orientación respecto al resto del cromosoma.
· Delecciones: Perdida de algún fragmento del
cromosoma
· No-disyunción de los cromosomas
- Mutaciones puntuales: Consiste en un simple
cambio de una base.
- Mutación sin sentido: Crea un codon de parada donde
antes no existía.
- Mutación de sentido perdido: Cambia el código del
RNAm, implicando un cambio en el aminoácido codificado y por
tanto en la proteína correspondiente.
- Mutación silente: No tiene efecto en la proteína
codificada.
Autor: Miguel Angel Dasi - Bioquímico
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