domingo, 13 de septiembre de 2009

El marco conceptual de la Biología (molecular)

En una entrada anterior comenté las grandes ideas de la Biología actual, haciendo referencia al inventario de conceptos de las ciencias de la vida a escala molecular. Ahora toca comentar este inventario, que proporciona un marco al actual desarrollo de la Biología.

El grupo de universidades que trabaja para sistematizar los conceptos más importantes de la Biología Molecular los ha agrupado en 18 categorías, que a su vez han sido subdivididas en epígrafes más concretos. Las ideas más importantes de esta ciencia, según ellos, son las siguientes:

1. La Biología se basa en la ciencia observacional y experimental:

El conocimiento biológico se obtiene a partir de la observación sistemática de la naturaleza, la emisión de hipótesis acerca de su funcionamiento, y el contraste de esas hipótesis mediante la realización de experimentos diseñados para ello, que deben contar con los controles adecuados.

2. A nivel molecular, la Biología se basa en interacciones tridimensionales de superficies complementarias

Todas las moléculas son objetos tridimensionales, que se caracterizan por su estructura propia, que les permite realizar diferentes funciones. La interacción entre moléculas ocurre por reconocimiento y encaje de partes de sus superficies.

3. La célula es la unidad básica de la vida.

Cada célula contiene toda la maquinaria necesaria para llevar a cabo las funciones que caracterizan a los seres vivos: el metabolismo y la reproducción. A pesar de ello, normalmente las células no pueden vivir en ausencia de otras células. Las células se comunican entre sí, y a menudo dependen unas de otras.

4. Todas las células comparten una gran cantidad de procesos y mecanismos.

Una prueba de que todas las manifestaciones de la vida en nuestro planeta están interrelacionadas es la gran cantidad de procesos que comparten, incluso a escala molecular: todas comparten el mismo código genético, todas utilizan el ATP como moneda de energía y en muchas de ellas se conservan las mismas rutas metabólicas, así como muchos aspectos estructurales comunes.

5. Las células interactúan con otras células.

Las células se comunican con otras células que pueden encontrarse cerca o lejos de ellas, entrando en contacto unas con otras o liberando objetos físicos (ciertos tipos de moléculas) que actúan como señales. Una vez que uno de estos mensajeros químicos alcanza su célula diana la señal se transmite a su interior, provocando como resultado final una modificación de su expresión génica.

6. Las células proceden de otras células.

Nunca se ha observado la formación de una célula a partir de algo que no fuera una célula, aunque se deduce que la primera célula debió seguir un proceso exclusivo de aparición.
Antes de dividirse, las células deben duplicar todos sus componentes esenciales, en particular su maquinaria genética, para repartirla entre las dos células hijas.

7. El ADN es la fuente de la información heredable de una célula

Las características de los seres vivos están fijadas en una base molecular, es decir, ciertas moléculas presentes en nuestras células pueden ser "leídas" por la correspondiente maquinaria celular, de modo que ésta es capaz de seguir instrucciones codificadas en la estructura de la molécula informativa. En todos los seres vivos esta molécula informativa es el ADN, y la información que incluye en su estructura es suficiente para que la célula produzca y organice todas sus proteínas que, a su vez, son las moléculas que realizan la práctica totalidad de las funciones celulares.

8. El gen es la unidad funcional de la herencia

La información genética de las células está organizada en unidades discretas llamadas genes, cuyo soporte material es un fragmento de ADN. Cada gen es, por tanto, un segmento de ADN que contiene la información necesaria y suficiente para determinar qué péptido debe sintetizarse, y el momento en que debe ser sintetizado (expresión y regulación).

En algunos casos un gen coincide con un carácter observable, aunque esto no es necesariamente así: ciertos caracteres se deben al efecto conjunto de varios genes, mientras que algunos genes intervienen en más de un caracter.

9. La estructura del ADN determina el mecanismo de producción de ácidos nucleicos y proteínas.

La estructura molecular del ADN permite explicar cómo ocurre la síntesis del propio ADN, la del ARN y la de las proteínas. La Biología molecular ha permitido conocer los detalles de estos procesos, que en todo caso se basan en el acoplamiento espacial de las moléculas implicadas.

10. La reproducción sexual es una poderosa fuente de variación.

Los organismos que se reproducen sexualmente poseen información genética duplicada para todas sus características. La diferente "fuerza" de las dos copias de cada gen es la que determina cuál es la característica que el individuo manifiesta en cada caso.

Para reproducirse sexualmente, el organismo da lugar a unas células especiales, los gametos, que poseen solo una copia de cada gen. Cada gameto producido por un individuo presenta una combinación exclusiva de características genéticas, lo que proporciona una enorme variabilidad genética.

Las mutaciones (cambios aleatorios en la información genética) que afectan a las líneas celulares productoras de gametos pueden transmitirse a los organismos derivados de ellos, lo que constituye una nueva fuente de variabilidad genética.

11. Los procesos vitales son el resultado de reacciones químicas reguladas

Los procesos vitales ocurren gracias a un conjunto organizado y regulado de reacciones químicas. Todas ellas cumplen, como no puede ser de otro modo, los principios de la termodinámica, aunque los seres vivos son capaces de modificar su velocidad (pero no su sentido) gracias al uso de catalizadores específicos de naturaleza proteica, llamadas enzimas.

Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas necesarias para la vida no ocurren espontáneamente, sino que necesitan aporte de energía. Los seres vivos han solucionado este problema "acoplando" entre sí diferentes reacciones, de forma que los productos de una puedan servir como sustratos de otra. El sentido final del conjunto de ambas reacciones depende del balance global de energía, de modo que si en una de ellas se libera más energía que la que se consume en la otra, el proceso global es espontáneo.

Todas las células utilizan ciertas moléculas, comunes a todos los seres vivos, que les permiten almacenar energía química o electrones, y dichas moléculas son utilizadas en reacciones químicas acopladas a otras que, en condiciones normales, serían energéticamente imposibles.

12. Las proteínas realizan funciones muy variadas en una célula

Las proteínas son el tipo de moléculas que se encargan de realizar casi todas las funciones que una célula necesita para mantenerse: son enzimas que catalizan las reacciones químicas, interactúan con el ADN para regular y sintetizar otras moléculas (ácidos nucleicos y proteínas), detectan y transmiten señales químicas, transportan elementos físicos dentro de la célula...

Para mantener su actividad, la célula sintetiza simultáneamente miles de moléculas de proteínas diferentes, y lo hace de un modo regulado, controlando permanentemente cuántas copias de cada tipo de proteína son necesarias en un determinado momento.

13. La tecnología de ADN recombinante permite a los científicos manipular la composición genética de una célula.

La tecnología de ADN recombinante es un conjunto de técnicas y herramientas, derivadas en su mayoría de procesos que tienen lugar en los seres vivos, que permite a los científicos intervenir directamente sobre los procesos moleculares que ocurren en el interior de las células, lo que les permite desentrañar su funcionamiento a esta escala.

Entre otras posibilidades, estas técnicas permiten identificar, localizar y aislar genes individuales responsables de determinadas características. En su versión aplicada, esta tecnología permite también introducir estos genes en organismos diferentes a los originales, y forzarles a producir sustancias de interés.

14. La expresión de los genes está regulada

Ninguna célula necesita que todos sus genes se expresen (den lugar a sus productos) simultáneamente. De hecho, en los organismos pluricelulares cada célula expresa a lo largo de su vida solo una parte de los genes que posee. Este proceso de especialización en la realización de ciertas funciones se denomina diferenciación celular.

La síntesis de los productos de los genes en la célula está regulada en todo momento, y se produce como respuesta a ciertas señales externas o a procesos derivados del funcionamiento interno de la propia célula.

15. Toda la biomasa que contiene carbono se sintetiza a partir del CO2.

Todos los organismos utilizan nutrientes orgánicos, en particular carbono orgánico, para desarrollar sus funciones vitales y crecer (acumular biomasa). Algunos organismos, además, son capaces de transformar carbono inorgánico, tomado en forma de CO2 en carbono orgánico mediante la fotosíntesis, utilizando después estos compuestos en la misma forma que el resto de los organismos. Además, también existe un grupo de organismos capaces de sintetizar carbono orgánico mediante procesos quimiosintéticos. El resto de los seres vivos dependen de ellos para su nutrición.

La respiración celular es un proceso químico casi universal (lo realizan tanto los autótrofos como los heterótrofos) que permite a los organismos aprovechar la energía química presente en los compuestos orgánicos. Durante el proceso se consume oxígeno y se libera dióxido de carbono.

16. Las poblaciones de organismos evolucionan debido a la variación y a la selección

Las poblaciones naturales de seres vivos poseen una considerable variabilidad genética, originada gracias a los procesos de mutación, recombinación y reproducción sexual. Las diferentes características que presentan los organismos como consecuencia de estos procesos hacen que su capacidad de sobrevivir y reproducirse en un ambiente determinado varíe de unos a otros. La supervivencia diferencial de unos fenotipos frente a otros es el resultado de un proceso de selección natural, consecuencia de la diferente dificultad que los organismos encuentran para sobrevivir en su ambiente.

El resultado de los procesos de generación de variabilidad y selección natural es el cambio gradual, a lo largo del tiempo, en las características de los individuos que componen la población, es decir, la evolución biológica. Esta ocurre en relación con las características del entorno, sin que pueda hablarse de que existe un propósito o un objetivo final.

17. Los organismos y el ambiente se modifican mutuamente.

El ambiente ejerce presiones selectivas sobre los organismos. La selección favorece la supervivencia de "mutantes" surgidos por azar pero que son capaces de sobrevivir mejor en un ambiente determinado. Los productos de los ciclos de vida de los organismos, a su vez, vuelven a su ambiente, modificándolo.

18. En los organismos pluricelulares, múltiples tipos de células pueden trabajar juntos para formar tejidos que trabajan juntos para formar órganos.

Los organismos pluricelulares están formados por células con la misma información genética, pero que tienen aspecto distinto y realizan funciones diferentes, gracias a que expresan un subconjunto diferente de sus genes.

La diferenciación celular es un proceso complejo, que se produce de modo gradual durante el desarrollo embrionario del organismo. El resultado final es la organización de grupos de células especializadas en la realización de determinadas funciones, pero que trabajan coordinadamente entre sí para, en conjunto, llevar a cabo todas las tareas que necesita el organismo en su conjunto.