Biologia molecular

De Viquip??dia

La biologia molecular ??s la part de la biologia que estudia els ??ssers vius i els fenomens vitals conformement a les propietats de la seva estructura molecular. Aquest camp s'encavalca amb altres ??rees de la biologia i la qu??mica, en particular amb la gen??tica, la biologia de sistemes i la bioqu??mica. La biologia molecular busca comprendre les interaccions entre els diversos sistemes cel??lulars, incloent-hi les relacions entre ADN, ARN i la s??ntesi de prote??nes, aix?? com aprendre com estan regulades aquestes interaccions.

Taula de continguts

1 Relaci?? amb altres ci??ncies biol??giques de l'escala molecular
2 T??cniques de la biologia molecular
3 Hist??ria
4 Per saber-ne m??s
5 Enlla??os externs
6 Refer??ncies

[edita] Relaci?? amb altres ci??ncies biol??giques de l'escala molecular

Esquema de la relaci?? entre bioqu??mica, gen??tica, biologia estructural i biologia molecular

Els bi??legs moleculars utilitzen t??cniques espec??fiques que van n??ixer amb la biologia molecular (vegeu la secci?? ??T??cniques?? m??s endavant en aquest article), per?? d'una manera cada cop m??s important combinen aquestes amb altres t??cniques i idees provinents dels camps de la gen??tica, la bioqu??mica, la biologia estructural i la biof??sica. De manera que avui dia ja no hi ha una l??nia de demarcaci?? clara entre aquestes disciplines. La seg??ent figura mostra un esquema que podria il??lustrar llurs relacions:

La Bioqu??mica ??s l'estudi de les subst??ncies qu??miques i dels processos vitals que s'esdevenen en els organismes vius.

La Gen??tica ??s l'estudi dels efectes de les difer??ncies gen??tiques sobre els organismes. Sovint, aquests efectes es poden inferir de l'abs??ncia d'un component ??normal?? (per exemple, un gen). D'aquesta manera, tamb?? es pot definir la gen??tica com l'estudi dels organismes ??mutants?? que manquen d'un o m??s components funcionals respecte del aix?? anomenat fenotip ??normal?? o ??salvatge??. Cal tenir en compte que interaccions gen??tiques tals com l'epistasi poden, de vegades, complicar l'an??lisi de resultats gen??tics, com els obtinguts mitjan??ant la t??cnica de la genoanul??laci?? (knock-out).

La Biologia estructural s'ocupa de l'estudi de la forma, ??s a dir, de l'estructura i configuraci??, en les tres dimensions de l'espai, de les mol??cules biol??giques. Aquest problema ??s adre??at mitjan??ant diverses t??cniques: microsc??pia electr??nica, cristal??lografia de raigs X i resson??ncia magn??tica nuclear, entre d'altres.

La Biologia molecular ??s l'estudi de les bases moleculars dels processos de replicaci??, transcripci?? i traducci?? del material gen??tic. El dogma central de la biologia molecular (DCBM) sost?? que el material gen??tic en forma d'ADN ??s transcrit a ARN i aquest tradu??t a prote??na. Malgrat ser una aproximaci?? molt simplificada del proc??s vital essencial de la transmissi?? entre generacions de la informaci?? gen??tica, aquest dogma encara constitueix una bona imatge des de la que comen??ar a entendre aquest camp de la biologia i la mentalitat de la gran majoria dels seus investigadors. Tanmateix, aquesta imatge est?? sotmesa, tot i que molt lentament, a un proc??s de revisi??, fonamentalment a la llum de les noves funcions atribu??des a l'ARN, aix?? com a l'exist??ncia de prote??nes de tipus pri??.

Bona part del treball fet pels bi??legs moleculars ??s quantitatiu, i des de dates recents, una part important d'aquest treball s'ha fet a l'interf??cie entre la biologia molecular i la ci??ncia computacional, en el que s'anomena bioinform??tica o biologia computacional. Al mateix temps, des de la d??cada de 1990, l'estudi de l'estructura i la funci?? dels gens, conegut com gen??tica molecular, ha estat una de les sub-??rees m??s prominents de la biologia molecular.

Cada cop m??s camps de la biologia s'interessen per mol??cules, ja sigui directament per l'estudi de llurs interaccions segons s??n observades en aquests camps, tals com el de la biologia cel??lular o la biologia del desenvolupament, ja sigui de manera indirecta, quan les t??cniques de la biologia molecular s'utilitzen per inferir atributs hist??rics de poblacions o esp??cies, com en alguns camps de la biologia evolutiva tals com la gen??tica de poblacions o la filogen??tica.

Les t??cniques de la biologia molecular, en particular els sistemes de clonatge i de sobre-expressi?? de prote??nes, han suposat un accelerador fenomenal per a la biologia estructural, ??rea de la biologia que estudia l'estructura tridimensional de les biomol??cules. En relaci?? amb la biologia estructural, cal esmentar la llarga tradici?? d'estudiar les biomol??cules "des de la base" per part de la biof??sica.

[edita] T??cniques de la biologia molecular

Des de finals de la d??cada del 1950 i principis de la d??cada del 1960, els bi??legs moleculars han apr??s a caracteritzar, a??llar i manipular els components moleculars de c??l??lules i organismes. Aquest components inclouen:

L'ADN, dipositari de la informaci?? gen??tica segons el DCBM
Els ARNs, tamb?? ??cids nucleics les funcions dels quals van des de servir de c??pia temporal de l'ADN fins a funcions enzim??tiques i estructurals pr??pies, com en el cas del sistema de traducci??
Les prote??nes, que constitueixen el principal tipus de mol??cula estructural i enzim??tica de les c??l??lules

[edita] ADN recombinant

Article principal: ADN recombinant

La t??cnica de l'ADN recombinant ??s sens dubte la que hist??ricament ha estat m??s important en el desenvolupament del camp de la biologia molecular. Una mol??cula d'ADN ??s diu recombinant quan la seq????ncia que la composa prov?? de diverses fonts, siguin del mateix o de diversos organismes. La recombinaci?? de l'ADN dins un organisme ??s un proc??s natural, essencial per a l'evoluci?? del tot ??sser vius. Junt amb la mutaci?? ??s un dels principals motors de creaci?? de la diversitat necess??ria per afrontar els canvis mediambientals i, en conseq????ncia, una pe??a clau de la selecci?? natural.

Les t??cniques de l'ADN recombinant permeten combinacions artificials de mol??cules d'ADN provinents, en general, de diferents organismes. Aix??, es pot combinar un ADN amb un promotor que permet expressar un gen en un bacteri, amb un ADN que contingui un gen d'un organisme eucariota, per exemple un gen hum??. El resultat ser?? una mol??cula d'ADN recombinant capa?? d'expressar dins un bacteri la prote??na codificada en aquest gen eucariota. Els bacteris que continguin aquest ADN recombinant s??n doncs organismes gen??ticament modificats, car llur material gen??tic ha estat modificat artificialment.

Aquestes t??cniques han perm??s l'estudi de la funci?? de gran quantitat de prote??nes, tant en sistemes in vivo controlats, com in vitro, despr??s de llur a??llament i purificaci??.

[edita] Clonatge per a la expressi?? de prote??nes

Una de les t??cniques b??siques de la biologia molecular en l'estudi de les funcions de les prote??nes ??s la clonaci?? per a llur producci?? o expressi??. En aquesta t??cnica l'ADN que codifica la prote??na d'inter??s ??s clonat, mitjan??ant per exemple l'??s de la PCR o d'enzims de restricci??, en un vector, generalment un plasmidi, que en aquest cas s'anomena vector d'expressi??. Aquest plasmidi pot tenir elements especials de control al promotor que dirigeix la producci?? de la prote??na. Tamb?? pot incloure marcadors de resist??ncia a antibi??tics que permetin mantenir el plasmidi a les c??l??lules que produiran la prote??na.

Aquest plasmidi pot ser inserit en c??l??lules d'origen bacteri?? o eucariota. La seva introducci?? en c??l??lules bacterianes s'anomena transformaci?? i es pot aconseguir per diferents m??todes que poden ser qu??mics (usant cations bivalents com el calci o rubidi) o d'una altra natura, com en el cas de l'electroporaci?? o la conjugaci??. La introducci?? del plasmidi en una c??l??lula eucariota s'anomena transfecci??. Com en el cas anterior, hi ha diverses t??cniques de transfecci??, incloent-hi la transfecci?? mitjan??ant fosfat de calci, la transfecci?? per liposomes i mitjan??ant agents comercials, com per exemple Fugene. L'ADN tamb?? es pot introduir en les c??l??lules a trav??s de virus o bacteris pat??gens com a vehicles. En aquests casos la t??cnica rep el nom de transducci?? viral or bacteriana i les c??l??lules obtingudes es diuen transdu??des.

En qualsevol cas, l'ADN que codifica la prote??na d'inter??s ??s ara a l'interior d'una poblaci?? de c??l??lules, de manera que la prote??na pot ser sintetitzada per aquestes, ??s a dir, expressada. Hi ha una gran varietat de sistemes per a obtenir una expressi?? en grans quantitats. Aquests inclouen entre d'altres, promotors indu??bles i factors espec??fics de senyalitzaci?? cel??lular. Un cop posat a punt el sistema, es de vegades possible extreure grans quantitats d'aquesta prote??na a partir de les c??l??lules modificades. Es pot provar l'activitat enzim??tica d'aquesta prote??na, si en t??, o es pot fer cristal??litzar de manera que la seva estructura pugui ser analitzada per mitj?? de la cristal??lografia de raigs-X. Tamb?? es poden trobar els efectes sobre ella d'inhibidors i drogues que puguin derivar en subst??ncies terap??utiques.

[edita] Reacci?? en cadena de la polimerasa (PCR)

Article principal: PCR

La reacci?? en cadena de la polimerasa, coneguda com a PCR de l'angl??s "Polymerase Chain Reaction" ??s una t??cnica extremadament vers??til per a copiar ADN. Resumidament, la PCR permet que unes poques mol??cules d'ADN contenint una seq????ncia determinada puguin ser copiades milions de cops. En aquest proc??s de c??pia es poden incloure determinades alteracions que permeten usar la PCR per a introduir llocs de restricci?? o modificar l'amino??cid codificat en un determinat punt de la seq????ncia. Entre altres innumerables usos, la PCR es pot fer servir per determinar si un fragment particular d'ADN ??s present en una genoteca de ADNc.

[edita] Electroforesi en Gel

Article principal: Electroforesi en gel

L'electroforesi en gel ??s una de les eines fonamentals de la biologia molecular. El seu principi b??sic ??s que les mol??cules d'ADN, ARN i les prote??nes poden ser separades, en funci?? de llur masses moleculars i c??rrega el??ctrica, en un camp el??ctric. L'electroforesi en gels d'agarosa s'utilitza sovint per separar ADN i ARN, tot i que res no impedeix emprar-la per separar prote??nes, en especial les d'alta massa molecular, aix?? com complexes entre prote??nes i ADN. Per la seva banda, la electroforesi en gels d'acrilamida s'empra habitualment, sobre tot en la seva vessant desnaturalitzant mitjan??ant l'??s del detergent ani??nic SDS (acr??nim en angl??s del dodecil sulfat de sodi), per separar prote??nes. Hi ha diverses t??cniques segons els gels siguin natius, ??s a dir els que conserven el plegament natural de la mol??cula, o desnaturalitzants, que s??n aquells que destrueixen aquest plegament. Entre els primers la separaci?? sol fer-se en funci?? de la relaci?? massa/c??rrega, mentre que als segons aquella relaci?? ??s normalitzada i la separaci?? ??s produeix en funci?? de la massa: en el cas dels gels de SDS-acrilamida, la quantitat de SDS, detergent amb forta c??rrega negativa, que s'uneix a les prote??nes ??s aproximadament proporcional a llur massa, de manera que totes les prote??nes acaben, idealment, amb la mateixa relaci?? massa/c??rrega. Un altre cas particular d'electroforesi nativa de prote??nes ??s el de l'isoelectroenfocament, en la que les prote??nes son separades d'acord amb el seu punt isoel??ctric.

[edita] Transfer??ncia de Southern

Article principal: Transfer??ncia de Southern

La Transfer??ncia de Southern ??s una t??cnica emprada per treure informaci?? sobre la massa molecular i l'abund??ncia relativa d'un ADN que contingui una determinada seq????ncia d'inter??s. Aquest assaig va ser desenvolupat inicialment per Edwin Southern, de qui va prendre nom. Consisteix en una combinaci?? d'electroforesi en gel d'ADN (sovint pr??viament fragmentat mitjan??ant digesti?? amb enzims de restricci??), seguida d'una electro-transfer??ncia de l'ADN aix?? separat a una membrana. Aquesta membrana s'incuba amb una sonda marcada, sigui radioactivament o d'una altra manera. Durant la incubaci?? la sonda hibrida, ??s a dir: s'uneix amb la seva seq????ncia complement??ria. Una s??rie de rentats eliminen la sonda no hibridada i seguidament es pot procedir a la detecci?? del senyal degut a la marca de la sonda. En el cas d'una marca radioactiva, la membrana es posa en contacte amb una auto-radiografia, que un cop revelada mostra una imatge en la que es pot localitzar on s'ha produ??t la hibridaci?? de la sonda. La intensitat del senyal ??s, en principi, proporcional a l'abund??ncia relativa de la seq????ncia reconeguda per la sonda.

[edita] Transfer??ncia Northern

Article principal: Transfer??ncia Northern

La Transfer??ncia Northern s'utilitza per a estudiar els patrons d'expressi?? d'un tipus concret de mol??cules d'ARN en comparaci?? amb un conjunt de diferents mostres d'ARN. Consisteix essencialment en una combinaci?? de electroforesi desnaturalitzant de ARN, seguida d'una electro-transfer??ncia a una membrana. El principi ??s doncs, el mateix que el de la Transfer??ncia Southern i ??s per aquesta analogia que rep el seu nom aquesta t??cnica.

En aquest cas, la intensitat del senyal observat es correlaciona amb l'abund??ncia del ARN reconegut per la sonda. Aquest procediment s'utilitza sovint per estudiar l'expressi?? d'un determinat gen en un teixit o tipus cel??lular i en un moment concret del cicle vital. ??s, doncs, una de les eines b??siques per a determinar en qu?? moments s'expressen determinats gens en els teixits vius.

[edita] Transfer??ncia Western i immunoqu??mica

Article principal: Transfer??ncia Western

Es poden crear anticossos contra la major part de les prote??nes pel procediment d'injectar-ne petites quantitats en animals com ratol??, conill o pollastre. Aquests anticossos es poden llavors utilitzar com sondes en una gran varietat de t??cniques anal??tiques i preparatives.

En la Transfer??ncia Western, les prote??nes se separen en primer lloc per la seva mida en un gel de SDS-acrilamida. Seguidament s'electro-transfereixen a una membrana on resten immobilitzades. Aquesta membrana pot ser incubada amb diferents anticossos, que s'uniran espec??ficament a les prote??nes contra les quals van ser obtinguts. La visualitzaci?? d'aquesta uni?? es pot obtenir de diverses maneres, comunament per mitj?? de marques quimio-luminiscents or radioactives.

[edita] Hist??ria

La biologia molecular es va comen??ar a establir com a camp de la biologia en els anys trenta, en resposta al repte que suposava copsar l'estructura i la funci?? dels gens. El terme biologia molecular va ser emprat per primer cop per Warren Weaver el 1938^[1]. En aquella ??poca, Weaver era director de la secci?? de Ci??ncies naturals de la Rockefeller Foundation.

Tanmateix, no va ser fins als anys 1950s-1970s que la biologia molecular no es va comen??ar a dibuixar com la disciplina que coneixem avui dia. Entre les fites que van contribuir a aquest proc??s cal destacar:

El model de la doble h??lix d'ADN, de Watson i Crick al 1953.^[2]^[3]
El model de control gen??tic dit de l'oper??, de Jacob i Monod al 1961.^[4]
El desenvolupament, en els 1970s, de les t??cniques dites de l'ADN recombinant.

[edita] Per saber-ne m??s

Keith Roberts, Martin Raff, Bruce Alberts, Peter Walter, Julian Lewis and Alexander Johnson, Molecular Biology of the Cell

4th Edition, Routledge, March, 2002, hardcover, 1616 pages, 7.6 pounds, ISBN 0815332181

3th Edition, Garland, 1994, ISBN 0815316208 2nd Edition, Garland, 1989, ISBN 0824036956

[edita] Notes

^ Olby, Robert (1970), ???Francis Crick, DNA, and the Central Dogma???, in Gerald Holton (ed.), The Twentieth Century Sciences. New York: W. W. Norton, 227-280.
^ Watson, J. D. and F. H. C. Crick (1953a), ???A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid???, Nature 171: 737-738.
^ Watson, J. D. and F. H. C. Crick (1953b), ???Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid???, Nature 171: 964-967.
^ Jacob, Francois and Jacques Monod (1961), ???Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesis of Proteins???, Journal of Molecular Biology 3: 318-356.

[edita] Vegeu tamb??

Biologia cel??lular (estructures i components de les c??l??lules)
Estructura de l'ADN i dels cromosomes
S??ntesi proteica (transcripci?? de l'ADN a ARN, traducci?? d'aquest a prote??na)
Genoma
Principals publicacions en biologia molecular
Llista de temes de la biologia molecular
Proteoma
Diversitat i estructura de les prote??nes

[edita] Bi??legs moleculars notables

[edita] Enlla??os externs

[edita] Refer??ncies

Cohen, S.N., Chang, A.C.Y., Boyer, H. & Heling, R.B. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 70, 3240 ??? 3244 (1973).
Rodgers, M. The Pandora's box congress. Rolling Stone 189, 37 ??? 77 (1975).

Principals camps de la Biologia

Categoria: Biologia molecular