Introducción al estudio de la Biología Molecular y Celular

La Biología molecular: es la disciplina científica que tiene como objeto de estudio los procesos que se desarrollan en los seres vivos a nivel molecular. Dentro del Proyecto Genoma Humano puede encontrarse la siguiente definición de Biología molecular: La Biología molecular consiste en el estudio de la estructura, función y composición de las moléculas biológicamente importantes.

La Biología molecular está relacionada con otros campos de la Biología y la Química, y particularmente con la Genética y la Bioquímica. Sin embargo, la Biología molecular concierne principalmente al entendimiento de las interacciones que se dan entre los diferentes sistemas de la célula, lo que incluye la relación entre ADN y ARN, la síntesis de proteínas, el metabolismo celular, y el cómo todas estas interacciones son reguladas para conseguir un afinado funcionamiento de la célula.

1. HISTORIA DE LA BOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR:

Robert Hooke (1635-1703), utilizando un microscopio de doble lente logró plasmar en "Micrographia" de 1665 una detallada descripción de la estructura microscópica de tallos y hojas introduciendo a la consideración científica de la época, por primera vez, el término "cellula" identificatoria de cada una de las celdas iguales (al estilo de un panal de abeja) que había logrado observar en sus trabajos con corcho .

2. Anton van Leeuwenhoek (1632-1723): Desarrolla una evolución en la microscopía. Su habilidad como diseñador y constructor de los mismos permitió que los instrumentos por él creados alzaran niveles de 270aumentos. Su capacidad en lo científico también era distintiva; al punto de realizar históricas descripciones.

3. Henri Dutrochet (1776-1847): indica que "todos los tejidos están en realidad formados por células globulosas pequeñísimas, que parecen estar unidas por fuerzas de adhesión simples; por lo tanto, todos los tejidos, todos los órganos animales y vegetales no son sino un tejido celular con modificaciones diversas”. Además reconoció que el crecimiento es el resultado del incremento celular.

4. Robert Brown (1773-1858): quien describe el núcleo y su presencia la asume como constante en todos los tipos celulares.

5. El botánico Matthias Schleiden (1804-1881): en 1838 y el zoólogo-fisiólogo Theodor Schwann (1810-1882) en 1839concretarán la declaración formal de los postulados de la Teoría Celular, que establecía que tanto las plantas como los animales están constituidos por células y ésta es la UNIDAD FUNCIONAL.

6. Jan Purkinje (1787-1869): propone el término “protoplasma" a la hora de describir el contenido celular.

7. Rudolf Wirchow (1821-1902): quien aporta su principio:"Omnis cellula e cellula" (toda célula procede de otra célula preexistente).

8. Walter Flemming (1843-1905): descubre lo que denomina cromatinas y el proceso de partición del núcleo al que denominó mitosis.

9. Wihelm Waldeyer: Demostró que la mitosis permite la continuidad entre una generación y otra por medio gracias a la exacta división de los cromosomas.

10. Antes de fines del siglo XIX había quedado establecido que los gametos se forman por división reduccional, MEIOSIS, por medio dela cual el nº de cromosomas de una especie se mantiene constante de una generación a otra. Todos estos descubrimientos permitieron llegar a la versión moderna de la TEORÍA CELULAR que afirma que: 1. La célula constituye la UNIDAD ESTRUCTURAL de todos los seres vivos.2. La célula es la UNIDAD FISIOLÓGICA Y BIOQUÍMICA, la organización bioquímica, es decir, actividades metabólicas le permiten desarrollar todas las funciones vitales.3. La célula es la UNIDAD GENÉTICA, toda célula proviene de otra célula.

11. DESARROLLO DE LA BIOLOGÍA SUBMICROSCÓPICA Y MOLECULAR1865: Gregorio Mendel publica su teoría acerca de la transmisión de los caracteres hereditarios (leyes de Mendel)en los guisantes (estas unidades fundamentales de la herencia recibirán el nombre de genes).Se le prestó muy poca atención a sus trabajos por falta de conocimiento a los cambios citológicos.

12. Hugo de veris  En 1901, junto a Carl Correns y Erich von Tschermakre: descubrieron las leyes fundamentales de la genética  publicadas primero por Gregor Mendel en 1866

13. 1902: Walter Sutton propone el término "gen" y asegura que los cromosomas tienen muchos genes (que son los factores mencionados por Mendel que se transmitían de generación en generación).

14. 1910: Thomas H. Morgan: prueba que los genes están en los cromosomas y aparece por primera vez el término "biotecnología".1929: Phoebus Levene descubre que un azúcar previamente desconocido, la desoxiribosa, deriva en ácidos nucleicos que no contienen ribosas. Estos ácidos nucleicos se denominan desoxirribonucleicos o ADN.

15. 1950: E. Chargaff: (imagen derecha) publica sus observaciones acerca de la composición de bases del ADN (A=T, C=G).1952: A. Hershey and M. Chase con sus  trabajos sobre el fago T2 apoyan la tesis del ADN como material genético

16. 1953: James Watson y Francés Crick: basándose en los diagramas de difracción de Rayos X de Rosalinda Franklin, proponen la estructura endoble hélice del ADN. Por este trabajo en 1962 reciben el premio Nobel en Fisiología

17. 1957: M. Meselson y F. Stahl demuestran que la replicación del ADN es semiconservativa.

18. 1982: Se consigue el primer animal (ratón) transgénico (el "superratón"), insertando el gen de la hormona del crecimiento de la rata en óvulos de ratona fecundados1983: Kary Mullis de Cetus  Corporation describe su método de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), que permite replicar (copiar) genes específicos con gran rapidez . 1983: Creación de las primeras plantas transgénicas

DISCIPLINAS CIENTÍFICAS QUE FORMAN PARTE DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR.

 El estudio mediante métodos físico-químicos de la materia viva y los procesos biológicos En globa una serie de disciplinas científicas que pueden considerarse dentro del concepto general de Biología Molecular.

2.1. Bioquímica Estructural. Trata del conocimiento de la naturaleza química de los constituyentes celulares que en su mayor parte es idéntico al de la “química orgánica de los productos naturales”. La química orgánica, equivalente en su actualidad a la de la química de los compuestos de carbono, fue en sus comienzos la química de las sustancias naturales porque el fin que perseguía era la obtención y la caracterización de las sustancias que se presentan en la naturaleza. En la época de Darwin los químicos ya se preguntaban si las células trabajaban de acuerdo a las mismas leyes químicas que los sistemas inertes. Algo más tarde, se descubrió que el carbono era un componente mayoritario de todo tipo de moléculas biológicas. La química orgánica sintética, que comenzó con la síntesis de la urea realizada por Wöhler, ha adquirido un desarrollo enorme, relegando a un segundo plano su interés por las sustancias naturales. Sin embargo, en las últimas décadas ha ido adquiriendo una importancia cada vez mayor el conocimiento de las sustancias naturales de alto peso molecular, siendo en la actualidad el objetivo principal de la “Bioquímica Estructural”, el estudio de la constitución y estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos.

2.2. Bioquímica Inorgánica: La tendencia inicial a distinguir entre compuestos de carbono, como aquellos que se encuentran en la materia viva, y todos los demás compuestos se refleja aún en la división de la química en orgánica e inorgánica. Ahora se sabe que esta distinción es artificial y no tiene base científica. Así, el tratamiento clásico de la Bioquímica Estructural como “química orgánica de productos naturales” a que dado obsoleto ya que existe un grupo de veinticinco elementos químicos (sodio, potasio, magnesio, calcio, etc.) que, libres en forma de iones, o combinados en macro complejos, regulan espacial y temporalmente muchas de las interacciones entre biomoléculas. De esta forma, está adquiriendo un papel cada vez más importante la disciplina científica denominada “Química Inorgánica Biológica” o “Bioquímica Inorgánica”.

2.3. Bioquímica Metabólica y Enzimología: La mera descripción de las sustancias químicas que se encuentran en los seres vivos ofrece una imagen estática de la célula o del organismo, es decir, se puede considerar una “fotografía” de los mismos, y no justifica en modo alguno la finalidad de investigar los fenómenos vitales. La fascinante dinámica de la célula con sus continuas modificaciones constituye la verdadera característica de la vida, y la “Bioquímica Metabólica” tiene como objetivo el estudio de las reacciones químicas que suceden continuamente en los seres vivos. Estas reacciones químicas se efectúan gracias a la regulación catalítica de los enzimas, cuyo estudio, por este motivo, ocupa un amplio lugar dentro de la Bioquímica en la disciplina denominada “Enzimología”.

2.4. Fisiología Molecular: El estudio de la regulación de los procesos químicos que tienen lugar en las estructuras de la

Célula y que constituyen la verdadera función de dichos elementos estructurales es el objetivo de la “Fisiología Molecular”. Teniendo en cuenta que las estructuras celulares son estructuras supramoleculares y que las transformaciones que sufren lo son a consecuencia de reacciones químicas; en muchos casos, el análisis molecular puede facilitar una mayor información de los procesos fisiológicos que la propia metodología fisiológica clásica.

2.5. Biología Molecular y Química Física. Muchos de los procesos biológicos fundamentales, como es el caso de las características y modo de actuar de los factores hereditarios, han podido ser explicados gracias a la aplicación de técnicas de investigación fisico-químicas dando lugar a la disciplina científica denominada Biología Molecular. Aunque los procedimientos químicos han permitido adquirir unas ideas muy concretas sobre los fenómenos celulares, su campo de acción es limitado, ya que de la investigación con métodos puramente químicos sólo puede esperarse resultados que caigan dentro del campo de los conocimientos y experiencias de la química. Los fenómenos biológicos más complejos, como son, por ejemplo, el desarrollo de los organismos, el cáncer, la consciencia etc., no pueden estudiarse únicamente utilizando métodos químicos convencionales; para ello se precisan técnicas de investigación físico-químicas. El campo a cubrir por la Química Física en la Biología Molecular es tan amplio y profundo que parecería tarea imposible si no fuera porque, dentro de su heterogeneidad y complejidad, la vida está basada en unos materiales y principios relativamente simples (teoría cuántica, atómica y celular, catálisis, regulación, evolución y herencia). Puesto que la Química Física describe la naturaleza en términos de átomos, moléculas y energía, el carácter interdisciplinario de la Biología Molecular se hace aún más patente teniendo en cuenta que su ciencia madre, la Química Física, utiliza como herramienta fundamental de trabajo las matemáticas.