Biología Molecular: Genes y ácidos nucleicos
Introducción
¡Hola!
Es un privilegio darte la bienvenida a tu primera clase digital del curso de Biología Molecular. Espero que te mantengas con mucho ánimo y disfrutes este curso preparado para ti. Esta sesión comprende el tema referente a Biología Molecular: Genes y ácidos nucleicos.
La Biología Molecular es una herramienta importante que hoy en día es utilizada ampliamente para estudiar y comprender la estructura y función de los organismos, así como trastornos moleculares que son producidos bajo diversas condiciones. En los organismos todas las funciones celulares son controladas mediante la información que se encuentra codificada en el ADN. Por tal motivo es de suma importancia conocer tanto la composición de los ácidos nucleicos, como los procesos que controlan y regulan, desde la codificación de la información hasta la expresión de dicha información de manera funcional.
¡Te invito a continuar con esa actitud y curiosidad natural que te lleve a incrementar y fortalecer tus conocimientos, comencemos!
Desarrollo del tema
Biología Molecular
La Biología Molecular es el estudio de los seres vivos a nivel molecular. Es un área de la biología que estudia los procesos biológicos, estructura y funciones de los seres vivos a nivel de las macromoléculas. Principalmente de los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y las proteínas. Se considera un híbrido entre la Bioquímica y la Genética.
El inicio de la Biología Molecular moderna inició con el descubrimiento de la estructura del ADN. Te invito a que visualices el siguiente video.
Como se vio en el video, la vida de un organismo depende de la habilidad que poseen las células de almacenar, recuperar y traducir las instrucciones almacenadas en el ADN. A su vez, estas instrucciones están incluidas en lo que se conoce como el genoma. El genoma de un organismo es el conjunto de información hereditaria que define y determina como funciona. Físicamente se encuentra dividido en un número determinado de moléculas de ADN, denominados cromosomas. Funcionalmente se encuentra dividido en genes. Es decir, el genoma comprende todos los genes del organismo y se encuentra organizado en cromosomas. Así, por ejemplo, el genoma humano consta de un aproximado de entre 20,000 a 25,000 genes organizados en 23 pares de cromosomas (Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T, 2018).
Revisa el siguiente enlace: What are DNA and Genes?
Pero, ¿qué es un gen? Un gen es una secuencia de ADN que codifica para un ARN o para una proteína. Los genes están compuestos de ADN, por lo tanto, en lo primero que nos vamos a enfocar es en conocer su estructura. No solo la del ADN sino también la del ARN, es decir, vamos a ver como están conformados los ácidos nucleicos.
Ácidos Nucleicos ADN y ARN
El conocimiento de los ácidos nucleicos se inicia en el siglo XIX con el aislamiento de los núcleos de células presentes en el pus de vendajes quirúrgicos. Esto fue realizado por el químico suizo Friedrich Miescher entre 1868 y 1869. Tratando de digerir las proteínas, observó que el núcleo de esas células no era digerido. Por lo que comprobó que contenían una sustancia química homogénea de carácter ácido, rica en fósforo a la que denominó nucleína. Posteriormente este término se cambio por el de ácido nucleico.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN (Ácido desoxirribonucleico) y el ARN (Ácido ribonucleico). Químicamente, los elementos que contienen son carbono, hidrógeno, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y fósforo. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos (Imagen 1).
Fuente: https://www.genome.gov/sites/default/files/inline-images/DNA_Fact-sheet2020.jpg
Cada nucleótido está formado por 3 elementos: un grupo fosfato, una base nitrogenada y un azúcar (carbohidrato).
Fosfato (PO4-3): Se deriva del ácido fosfórico (H3PO4). En los ácidos nucleicos se encuentra esterificado con dos grupos alcohol, formando un enlace fosfodiéster (Imagen 2).
Tomado de Sánchez, Á. H. (2012).
Base Nitrogenada: Son moléculas heterocíclicas, con varios átomos de nitrógeno. Las que se encuentran presentes en los ácidos nucleicos son las pirimidinas (un solo anillo) y las purinas (dos anillos). Las bases que forman parte de los ácidos nucleicos se muestran en la imagen 3.
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
Todas poseen átomos de oxígeno (excepto la adenina) y de nitrógeno, lo que les da la habilidad de formar puentes de hidrógeno. Además, debido a su carácter aromático, presentan una fuerte absorción, teniendo un pico máximo a 260 nm (Figura 4). Esta propiedad se utiliza para la cuantificación de ácidos nucleicos en el laboratorio.
Tomado de Sánchez, Á. H. (2012).
Azúcar (Carbohidrato): El azúcar presente es la Ribosa, una pentosa. La ribosa es un monosacárido de 5 átomos de carbono (β-D-ribofuranosa). En el ADN se encuentra la desoxirribosa, la cual perdió el átomo de oxígeno del hidroxilo del carbono 2, mientras que en el ARN se encuentra la ribosa (Imagen 5). Los carbonos de la ribosa se enumeran indicando el número del carbono, seguido de una ‘. Esto con la finalidad de distinguirlo de los carbonos que se encuentran en la base nitrogenada.
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
La unión de la base nitrogenada con el azúcar genera lo que se conoce como nucleósido. La unión del grupo fosfato al nucleósido genera el nucleótido, el monómero que conforma los ácidos nucleícos (Imagen 6)
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
Los nucleótidos se unen mediante enlaces fosfodiéster para dar lugar a las cadenas de ácidos nucleicos o polinucleótidos. El enlace se lleva a cabo entre el fosfato en el carbono 5′ de un nucleótido y el grupo hidroxilo en el carbono 3′ del nucleótido anterior (Imagen 7).
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
De esta manera, las cadenas de polinucleótidos se extienden en la dirección 5′ –> 3′ formando así la estructura primaria de los ácidos nucleicos.
Estructura del ADN (Ácido desoxirribonucleico)
Como se mencionó anteriormente, la estructura primaria del ADN corresponde a la secuencia lineal de nucleótidos. Para abordar la estructura del ADN es necesario realizar la lectura Discovery of DNA structure and function.
Estructura del ARN (Ácido ribonucleico)
Después de la identificación del ADN como la molécula donde se almacena la información genética y de conocer las propiedades que determinaban su estructura, se hizo evidente la necesidad de identificar los mecanismos a través de los cuales la información contenida en el ADN se expresa en moléculas funcionales que determinan el fenotipo celular. A principios de 1960, Francis Crick propuso que entre el ADN y las proteínas debería existir alguna molécula adaptadora, lo que enfocó la atención en el ARN. Con esto surge el Dogma Central de la Biología Molecular que abordaremos más adelante.
¿Qué es el ARN? El ARN es un polirribonucleótido de cadena sencilla, la cuál va en sentido 5′ –> 3′. Cada nucleótido esta formado por ribosa, fosfato y una base nitrogenada. A diferencia del ADN, en el ARN la timina se cambia por Uracilo, es decir, en el ARN no vamos a encontrar timina. Para ahondar más en las diferencias entre estas dos moléculas consulta el siguiente material RNA: The Versatile Molecule.
Tipos de ARN
Respecto a los diferentes tipos de ARN, la estructura química es la misma, lo que cambia es la función y la estructura secundaria que adopta la molécula. Así, existen diferentes tipos de ARN los cuales se dividen en codificantes y no codificantes (Tabla 1).
| Tipo de RNA | Función |
| rRNAs | RNAs mensajerías, código para proteínas |
| rRNAs | Los RNAs ribosomales forman la estructura básica del ribosoma y catalizan la síntesis de proteínas |
| tRNAs | Transferir RNAs, fundamental para la síntesis de proteínas como adaptadores entre mRNA y aminoácidos |
| snRNAs | Los ARNs nucleares pequeños funcionan en una variedad de procesos nucleares, incluido el empalme de pre-mRNA |
| snoRNAs | Pequeños ARNs nucleares, ayudan a procesar y modificar químicamente los rARNs |
| miRNAs | MicroRNAs, regulan la expresión génica bloqueando la traducción de miRNAs específicos y provocan su degradación |
| siRNAs | Pequeños RNA interferentes, desactivan la expresión génica al dirigir la degradación de mRNA selectivos y el establecimiento de estructuras compactas de cromatina |
| piRNAs | Los RNAs que interactúan con el piwi, se unen a las proteínas del piwi y protegen la línea germinal de los elementos transportables |
| IncRNAs | RNA largos sin registros, muchos de los cuales sirven como andamios, regulan diversos procesos celulares, incluida la inactivación del cromosoma X |
Los codificantes son aquellos que nos van a generar una proteína, mientras que los no codificantes realizan su función en forma de ARN. De esta manera dentro de los principales tipos tenemos:
- Codificantes
- RNA mensajero (ARNm)
- No codificantes
- RNA de transferencia
- RNA ribosomal
- RNA pequeño nuclear
- Micro RNA
- RNA pequeño interferente
Las características de cada uno de ellos se encuentran en el siguiente material Chemical structure of RNA.
Dogma central de la Biología Molecular
En 1955 Francis Crick propone el dogma central de la Biología Molecular (Diagrama 1).
Tomado de Sánchez, Á. H. (2012).
El Dogma Central explica como la información fluye desde el ADN hasta la formación de la proteína. Incluye las etapas de Replicación, Transcripción y Traducción. Cada una de estas etapas se irán revisando de forma individual en las siguientes clases. Por el momento te invito a que consultes el siguiente material RNA’s Role in the Central Dogma.
Conclusión
En resumen, en esta clase vimos la definición de Biología Molecular y su objeto de estudio. También se habló sobre lo que es el genoma y que este está constituido por genes, los cuales son secuencias de ADN que codifican para proteínas o ácidos nucleicos. De ahí la importancia de recordar cómo es que los ácidos nucleicos están constituidos y en el caso del RNA conocer los diferentes tipos, así como las funciones que realizan cada uno. Estos conocimientos serán de utilidad para las siguientes clases, por lo que es importante que los recuerdes.
Por último, se habló del Dogma Central de la Biología Molecular mencionando de manera general en que consiste, ya que en las clases siguientes abordaremos cada una de las etapas que se incluyen en el mismo.
Hemos llegado al final de esta primera sesión ¿qué te pareció? Espero que hayas aprendido cosas nuevas acerca del tema, pues esto te hará más sencillo el recorrido de este curso. Sigue adelante, realiza y manda la tarea asignada y te espero en la siguiente clase.
¡Has comenzado muy bien!
Fuentes de información
- Artículo Watson y Crick (archivo en PDF)
- Learn.Genetics (2021). Beyond the Central Dogma
- Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018). Lewin’s Genes XII. Editorial Jones and Bartlett
- Sánchez, Á. H. (2012). Texto ilustrado e interactivo de biología molecular e ingeniería genética. Elsevier
- Klug W. S., Cummings M. R., y Spencer Ch. A. S. (2016). Conceptos de Genética. (11ª ed.). Pearson Education