Conceptos de Biología Molecular - Maty garcia (1)

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Inmunología - Hemoterapia
CONCEPTOS DE BIOLOGÍA
MOLECULAR
Melisa Bogado,
Ayudante de Cátedra I de Inmunología Humana,
Facultad de Medicina,
Universidad de Buenos Aires
2023
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Inmunología - Hemoterapia
CONCEPTOS DE BIOLOGÍA MOLECULAR
➔ Componentes químicos de la célula
Del total de componentes de una célula, un 75 a 85% corresponde a agua, entre el 2 y 3% son sales
inorgánicas y el resto son componentes orgánicos (macromoléculas: integradas por unidades o
monómeros que se entrelazan entre sí para conformar estructuras de gran tamaño molecular: ácidos
nucleicos, hidratos de carbono, lípidos y proteínas)
❖ Agua: es el componente que se encuentra en mayor cantidad en los tejidos. Es indispensable para
la actividad metabólica dado que los procesos fisiológicos se producen exclusivamente en medios
acuosos. Es importante comprender que al hablar de dicho medio acuoso, nos referimos tanto al
compartimento celular como al compartimento extracelular.
❖ Sales inorgánicas: La concentración de iones es distinta en el interior de la célula y en el medio
que la rodea. Así, la célula tiene una alta concentración de cationes K
+
y Mg
2+
, mientras que el Na
+
y el Cl
-
están localizados principalmente en el líquido extracelular.
El Na
+
, K
+
y Cl
-
son importantes para mantener las cargas eléctricas a ambos lados de la
membrana plasmática, para la generación de energía utilizable para la célula e incluso para
mantener el pH.
El Ca
2+
además desempeña un papel importante en la transmisión de señales o modulando otros
procesos.
Otros iones presentes en la célula son el fosfato, sulfato carbono, hidrógeno, entre otros.
❖ Ácidos nucleicos: son macromoléculas conformadas por la asociación de cuatro unidades
denominadas nucleótidos. La secuencia lineal de los cuatro tipos de nucleótidos en la molécula de
ADN es la fuente primaria de la información genética.
➢ Nucleótido: Son las unidades que, al alinearse, conforman los ácidos nucleicos. Su composición
química es la siguiente: hidratos de carbono (pentosas), bases nitrogenadas (purinas y
pirimidinas) y ácido fosfórico
➢ Pentosas: son hidratos de carbono (glúcidos) que pueden ser de dos tipos
■ Desoxirribosa en el ADN
■ Ribosa en el ARN
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La diferencia entre ambos es que la desoxirribosa tiene un átomo menos de oxígeno, y es
lo que le da el nombre al ADN.
➢ Bases nitrogenadas: pueden ser de dos tipos:
■ Pirimidinas: son la timina y la citosina en el ADN, mientras que la timina es reemplazada
por uracilo en el ARN.
■ Purinas: son la adenosina y la guanina, sin diferencias entre ADN y ARN.
Al enfrentarse, las bases se unen entre sí como veremos en el ADN, por ejemplo, y dicha
conexión es entre una pirimidina y una purina: timina-adenosina y citidina-guanina
➢ Nucleótidos de importancia biológica:
■ ATP: otros nucleótidos además de los que conforman el ADN y ARN tienen importancia
biológica. gracias a que tienen uniones de alta energía que la célula utiliza para realizar
múltiples procesos. Sin embargo, de todos ellos, la fuente principal de energía de la célula
es el ATP.
■ NADH, NADPH, FADH
Todos los seres vivos contienen dos tipos de ácidos nucleico, llamados ácido desoxirribonucleico
(ADN) y ácido ribonucleico (ARN). Los virus contienen un solo tipo de ácido nucleico, ADN o ARN.
➢ ADN: constituye el depósito de la información genética. Es una molécula conformada por dos
cadenas de ácidos nucleicos helicoidales en las que las bases nitrogenadas se encuentran en el
interior, lo que hace que las bases de ambas cadenas se enfrenten entre sí.
Toda la información genética de un organismo se encuentra acumulada en la secuencia
lineal de las cuatro bases de sus ácidos nucleicos.
➢ ARN: la estructura es semejante a la del ADN, excepto por la presencia de ribosa en lugar de
desoxirribosa y de uracilo en lugar de timina. Además, la molécula de ARN está conformada por
una sola cadena de nucleótidos.
Existen tres clases principales de ARN, todos ellos actúan activamente en el proseso de la
síntesis de proteínas.
■ ARN mensajero: lleva la información genética (copiada del ADN durante la traducción) que
establece la secuencia de los aminoácidos en la proteína.
■ ARN ribosomal: constituye el 50% de la estructura del ribosoma (el otro 50% son proteínas),
que es la estructura que proporciona el sostén molecular para las reacciones químicas que
dan lugar a la síntesis proteica.
■ ARN de transferencia: identifican y transportan a los aminoácidos hasta el ribosoma.
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❖ Hidratos de carbono: compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno, representan la principal
fuente de energía de la célula y son constituyentes estructurales importantes de las membranas
celulares y de la matriz extracelular.
Según el número de unidades que contienen pueden clasificarse en:
➢ Monosacáridos: una molécula de azúcar simple, como las pentosas (ribosa y desoxirribosa), la
glucosa, la galactosa o la manosa.
➢ Disacáridos: azúcares conformados por dos monómeros, como la lactosa (glucosa + galactosa)
➢ Oligosacáridos: son cadenas compuestas por distintas combinaciones de varios tipos de
monosacáridos. En el organismo, no están libres, sino que están unidos a lípidos (glicolípidos) o
a proteínas (glicoproteínas).
➢ Polisacáridos: resultan de la combinación de muchos monosacáridos, lo que les otorga la
capacidad de actuar como reservorios de glúcidos en vegetales y animales, como el almidón y
el glucógeno, respectivamente.
❖ Lípidos: son un grupo de moléculas caracterizadas por ser insolubles en agua, debido a su
estructura química hidrofóbica (largas cadenas de ácidos grasos, que son no polares).
Hay algunos lípidos en los que esas largas cadenas hidrofóbicas están ligadas o unidas a un grupo
polar que les permite interactuar con el agua. Es el caso de los triglicéridos, fosfolípidos,
glicolípidos, esteroides, entre otros.
➢ Fosfolípidos: hay cuatro fosfolípidos que conforman la membrana plasmática celular y que
luego describiremos mejor. Estos son fosfatidilserina, fosfatidiletanolamida, fosfatidilcolina y
fosfatidilinositol
➢ Esteroides: son lípidos derivados de un compuesto en común. Uno de los más difundidos es el
colesterol, que se encuentra en las membranas celulares, en otras partes de la célula y
también fuera de ella. Los principales esteroides del organismo son las hormonas sexuales
(estrógeno, progesterona, testosterona), las hormonas suprarrenales (cortisol, aldosterona), la
vitamina D y ácidos biliares
❖ Proteínas: Son macromoléculas cuyos monómeros son los aminoácidos. Las proteínas son cadenas
de aminoácidos unidos entre sí por uniones peptídicas. Una combinación de dos aminoácidos
constituye un dipéptido, unos pocos amioácidos entre sí conforman un oligopéptido y, finalmente,
un polipéptido está formado por muchos aminoácidos.
Las funciones básicas de la célula dependen de proteínas específicas. Se puede decir que sin
proteínas la vida no existiría; están presentes en cada célula y en cada organoide. Además pueden
ser estructurales (forman parte de estructuras) o enzimáticas (aceleran reacciones químicas).
Existen proteínas conjugadas, es decir, moléculas que tienen una porción proteica unida a una no
proteíca. Es el caso de las glicoproteínas, nucleoproteínas, lipoproteínas y cromoproteínas.
❖ Enzimas: son catalizadores biológicos, es decir, aceleran las reacciones químicas sin modificarse,
lo que permite que sean utilizadas una y otra vez.
Son proteínas o glicoproteínas que se caracterizan por tener un sitio de unión en el que se une un
sustrato específico para ser modificado químicamente y ser convertido en uno o más productos.
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➔ Algunos conceptos sobre organelas celulares
❖ Sistema de endomembranas: es un
compartimento celular que se distribuye
por todo el citoplasma y está compuesto
por varios subcompartimentos
comunicados entre sí, tanto por
contacto directo como por vesículas que
nacen de lamembrana de un
componente y se fusionan con la
membrana de otro.
Está conformado, entonces, por:
➢ Retículo endoplasmático liso: Está formado por una red de túbulos y sacos interconectados,
caracterizados por la ausencia de ribosomas en su superficie, y su volumen y distribución
dependen de su función en cada tipo celular.
➢ Retículo endoplasmático rugoso: Es también una red de túbulos y sacos aplanados, que tienen
su membrana repleta de ribosomas adheridos. Esta relación entre el RER y los ribosomas se
debe a su función en la síntesis de proteínas. Las proteínas destinadas al RE contienen una o
más señales que determinan su destino (la membrana plasmática, la luz del RE, la exportación
fuera de la célula y proteínas lisosomales)
En el retículo endoplasmático se llevan a cabo reacciones químicas que forman parte de procesos
de síntesis de proteínas, lípidos (como triacilglicéridos y los fosfolípidos que conforman las
membranas celulares) e incluso la biosíntesis de nuevas membranas celulares.
➢ Complejo de Golgi: Está conformado por una o varias unidades, llamadas dictiosomas, y
desempeña un papel fundamental, dado que las moléculas que lo recorren experimentan
modificaciones necesarias para sus actividades biológicas.
Por medio de vesículas transportadoras, moléculas provenientes del RE alcanzan el Complejo
de Golgi, lo recorren, se desprenden de él y terminan en la membrana de los endosomas o en
la membrana plasmática.
➢ Endosomas: Son organoides pequeños, localizados funcionalmente entre el Complejo de Golgi y
la membrana plasmática. Los endosomas reciben el contenido de vesículas, ya sean derivadas
de endocitosis como de las originadas en el Complejo de Golgi.
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Inicialmente, el denominado endosoma primario recibe las vesículas mediante la fusión de sus
membranas. Cuando se le unen también las vesículas originadas en el Complejo de Golgi, que
contienen enzimas hidrolíticas, se genera un cambio en los endosomas que ocasiona la caída
del pH en su interior (se vuelve más ácido), y se transforman en endosomas secundarios.
La endocitosis es el mecanismo de ingreso de macromoléculas y partículas a la célula, a partir
del cual se forma el endosoma primario. A su vez, puede dividirse en:
■ Pinocitosis, que comprende el ingreso de líquidos junto con macromoléculas y sustancias
disueltas en ellos. Esto ocurre debido a invaginaciones de la membrana plasmática que luego
origina vesículas en el interior de la célula. Puede estar mediado por la activación de un
receptor o puede ocurrir de forma espontánea.
■ Fagocitosis, que solo ocurre en unos pocos tipos celulares, permite la incorporación de de
partículas grandes y hasta células enteras. La activación de receptores específicos estimulas
a la célula para que la membrana plasmática emita prolongaciones envolventes que rodean
al objetivo hasta dejarlo englobado en el interior del citoplasma, lo que forma una gran
vesícula llamada fagosoma.
➢ Lisosomas: derivados de los endosomas secundarios, son los organoides que completan la
digestión de los materiales incorporados por endocitosis. Las enzimas lisosomales se activan a
un pH de 5, lo cual es aún más ácido que el pH de su predecesor.
En el interior de los lisosomas, las proteínas e hidratos de carbono son digeridos a dopéptidos y
monosacáridos, respectivamente. Estos y otros productos de degradación atraviesan la
membrana lisosomal y pasan al citosol, donde terminan de digerirse o se aprovechan para
construir nuevas moléculas.
❖ Mitocondrias: se encuentran presentes en
todos los tipos celulares, ya que en ellas se
encuentran innumerables moléculas que
participan en las reacciones que transfieren la
energía depositada en los alimentos a una
molécula versátil que la célula utiliza como
fuente de energía: el ATP.
Además, las mitocondrias poseen su propio
ADN (denominado ADN mitocondrial), debido
a que se incorporó a la célula eucariota hace
millones de años, pero que antes de eso era
una bacteria independiente.
❖ Núcleo celular: es la principal característica que distingue a las células eucariotas. Ocupa el 10%
del volumen total de la célula y contiene confinado el ADN (con excepción del ADN mitocondrial).
Está delimitado por una envoltura
nuclear, que se continúa con la
membrana del RE.
En el núcleo se localizan el ADN, varias
clases de ARN (que se sintetizan en el
núcleo y luego salen del mismo por poros
en la envoltura nuclear), el nucléolo
(donde se localizan los genes de los ARNr
y los ARNr recién sintetizados), proteínas
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(sintetizadas en el citosol y luego ingresan al núcleo) que regulan la actividad de los genes,
promueven el procesamiento de ARN, etc.
➔ Conceptos básicos de genética
❖ Gen: es el segmento funcional del ADN que contienen la información necesaria para fabricar una
molécula de ARN y, si esta corresponde a un ARNm, a partir de él construir una proteína.
❖ Código genético: Se sabe que tres nucleótidos específicos (denominado codón) codifican para un
aminoácido determinado. Es por eso que con código genético se hace referencia a la secuencia de
codones en el ADN contiene la información para una secuencia de aminoácidos específica y por
ende, la información para codificar una proteína determinada
❖ Genoma: es el nombre que se le da a la totalidad de información genética depositada en el ADN.
❖ Cromosoma: Cada cromosoma está constituido por una larguísima molécula de ADN asociada a
diversas proteínas (que pueden histonas o proteínas no histónicas)
❖ Cromatina : es el complejo formado por el ADN, las histonas y las proteínas no histónicas. Así, la
cromatina es el material con el que están compuestos los cromosomas.
❖ Expresión genética: el flujo de la información genética
tiene lugar mediante los siguientes eventos celulares
➢ Transcripción: es el proceso durante el cual se
sintetizan moléculas de ARN utilizando como molde la
molécula de ADN.El resultado es el ARNm o mensajero,
ya que lleva la información necesaria para la síntesis
de proteínas
➢ Traducción: consiste en la interpretación de la
información contenida en los codones del ARNm, que
permite colocar los aminoácidos determinados en el
orden correcto, de tal forma que la secuencia de
aminoácidos resultante conforme la proteína que
estaba codificada en el ADN.
❖ Célula diploide: son aquellas células humanas que poseen 46 cromosomas y, por consiguiente, 46
moléculas de ADN. Estas 46 unidades normalmente presentes en las células humanas consisten en
23 pares de cromosomas homólogos, de los cuales 22 de ellos son idénticos tanto en el varón como
en la mujer y se denominan autosomas, mientras que el par 23 o par sexual en la mujer se halla
integrado por dos cromosomas idénticos (XX) y en el varón por un cromosoma X y un cromosoma Y
(XY)
❖ Célula haploide: a diferencia de las diploides, las células haploides contienen la mitad de los
cromosomas humanos, dado que están destinadas a mezclar su material genético con otra célula
haploide. Este es el caso de los ovocitos y los espermatozoides, cada una con 23 cromosomas y
que al fusionarse, el resultado es una célula con 46 cromosomas en total.
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❖ Alelo: De los 46 cromosomas que tienen las células, 23 provienen del espermatozoide y 23 del
ovocito. Es por esto que se podría decir que tenemos 23 pares de cromosomas, cada uno con su
par homólogo. Por lo tanto, tenemos dos pares de cada gen, uno en cada cromosoma homólogo, y
los dos miembros de cada par se denominan alelos. Aunque sea el mismo gen, no quiere decir que
sean iguales, es por esto que existen los alelos dominantes y los alelos recesivos.
❖ Locus: es el sitio específico del cromosoma en el que se localiza un gen. En otras palabras, un
locus es el lugar particular que ocupa el alelo en cada cromosoma homólogo. El plural de locus es
loci.
❖ Alelo dominante: es un alelo cuyo efecto fenotípico se expresa incluso cuando está en
heterocigosiscon un alelo recesivo. Es decir, es el alelo que se manifiesta en el individuo de
manera visible independientemente de si se encuentra doble (ambos padres) o simple (en
condición de heterocigota).
❖ Alelo recesivo: es aquel cuyo efecto fenotípico se expresa solamente en homocigosis, es decir que
está imposibilitado a manifestarse cuando el alelo dominante está presente. Para que sea visible
fenotípicamente, ambas copias del gen deben ser idénticas, es decir ambos alelos recesivos
(homocigota).
❖ Codominancia: es la expresión de ambos alelos en el fenotipo, sin que la expresión de uno oculte
la del otro.
❖ Individuo homocigota: aquellos que tienen ambos alelos iguales, es decir que para un gen
determinado tienen dos alelos dominantes o dos alelos recesivos.
❖ Individuo heterocigota: aquellos que tienen alelos diferentes, es decir, un alelo es dominante y el
otro recesivo. En estos casos, el fenotipo que será expresado es aquel codificado por el alelo
dominante
❖ Hemicigota: ocurre cuando se posee solo uno de los alelos de un par de genes o de un par de
cromosomas. Por ejemplo, el hombre es hemicigota para los genes del cromosoma X, por tener
uno solo (par sexual XY)
❖ Genotipo: define la constitución genética del individuo, es definida por el conjunto de
información genética propia de un organismo.
❖ Fenotipo: define las características visibles, son los rasgos observables de un individuo tanto
macroscópicamente como microscópicamente. Esto es producto del genotipo con el medio
ambiente, que tiene un efecto sobre la expresión génica.
➔ Transducción y propagación de señales
❖ Inducción: es la acción de estimular a la célula desde el exterior, mediada por una sustancia
inductora (o ligando)
❖ Célula inducida, diana o blanco: es aquella que recibe la sustancia inductora, gracias a que posee
un receptor
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❖ Receptor: es una proteína o un complejo de proteínas localizado en la membrana plasmática de la
célula blanco o en su citoplasma.
❖ Tipos de señales químicas
➢ Según la distancia entre célula secretora y célula diana:
■ Secreción endócrina: ocurre cuando la célula
inductora y la célula blanco se hallan distantes
entre sí, por lo que el ligando, tras ser
secretado por la inductora, ingresa a la sangre
y a través de ella alcanza a la célula inducida
(imagen A)
● Secreción neuroendócrina: hay casos en
los que la sustancia inductora que sale
del terminal axónico de la neurona debe
volcarse en la sangre para poder llegar a
la célula inducida.
■ Secreción parácrina: ocurre cuando la célula
inductora se halla lo suficientemente cerca de
la célula blanco como para que el ligando solo
debe recorrer un corto trecho de la matriz
extracelular (imagen B). Es el caso de la
sinapsis nerviosa, que ocurre entre neuronas o
entre el terminal axónico de una neurona y
una célula receptora, en la que la neurona
secreta la sustancia inductora en el espacio
intersináptico, es decir, entre ambas células
(imagen C).
■ Secreción autócrina: es aquella en la que la
sustancia inductora es secretada y recibida por
la propia célula, de modo que se induce a sí
misma (imagen D).
■ Señal por contacto directo: Son los casos en
los que la sustancia inductora permanece en la
membrana plasmática de la célula inductora y no se secreta. Por lo tanto, para que la
sustancia inductora pueda hacer contacto con el receptor necesita que la célula inductora
se traslade hasta el lugar de la célula blanco (imagen E)
➢ Según las características químicas de la señal:
■ Señales hidrofóbicas/lipofílicas: depende de la estructura química del ligando. Si este es
hidrofóbico, esa característica le permite atravesar membranas y tener acceso a receptores
en el citoplasma.
■ Señales hidrofílicas/no lipofílicas: en este caso, el ligando no podría atravesar las
membranas celulares, lo que limita la localización de su receptor en la membrana
plasmática
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➔ Muerte celular
❖ Apoptosis: es un proceso de muerte celular fisiológico, mediado por caspasas, en la que la célula
atraviesa cambios característicos que le otorgan una muerte ordenada, sin liberación de
componentes celulares al medio extracelular. El resultado final son los denominados cuerpos
apoptóticos, pequeñas fracciones de lo que era la célula que entró en apoptosis y que contiene
sus restos. Los cuerpos apoptóticos serán fagocitados por macrófagos gracias a que, durante el
proceso de la apoptosis, ocurre un intercambio de fosfolípidos en la membrana plasmática y la
fosfatidilserina es expuesta hacia el exterior de la célula. Es este lípido, la fosfatidilserina, quien
actúa como ligando para que tanto células apoptóticas como cuerpos apoptóticos sean fagocitados
por macrófagos.
❖ Necrosis: A diferencia de la apoptosis, durante el proceso de necrosis la membrana plasmática
pierde su integridad, por lo que al morir, la célula libera su contenido al medio extracelular. La
importancia radica en que estos componentes pueden activar al sistema inmunitario y
desencadenar inflamación
BIBLIOGRAFÍA
De Robertis (h.) - HIB, “Biología Celular y Molecular”, 16° edición, año 2012, Editorial Promed,
Buenos Aires.
ACLARACIÓN
Este texto fue confeccionado sin fines de lucro, como material complementario de la materia
Inmunología de la Tecnicatura Universitaria en Hemoterapia e Inmunohematología, con el fin de
brindar un contexto de biología molecular a los contenidos de dicha materia.
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