Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (28 page)

La significación bioquímica del gen determinante de la formación de células falciformes adquirió de repente una gran importancia en 1949, cuando Linus Pauling y sus colaboradores, en el Instituto de Tecnología de California (donde también estaba trabajando Beadle), demostraron que los genes afectaban a la hemoglobina de los glóbulos rojos. Las personas con dos genes determinantes de la formación de células falciformes eran incapaces de formar la hemoglobina normal. Pauling demostró este hecho mediante la técnica denominada «electroforesis», método que utiliza una corriente eléctrica para separar las proteínas gracias a las diferencias de la carga eléctrica neta existente en las diversas moléculas proteicas. (La técnica electroforética fue desarrollada por el químico sueco Ame Wilhelm Kaurin Tiselius, quien recibió el premio Nobel de Química en 1948 por esta valiosa contribución.) Pauling, por análisis electroforético, halló que los pacientes con anemia falciforme poseían una hemoglobina anormal (denominada «hemoglobina S»), que podía ser separada de la hemoglobina normal. El tipo normal fue denominado hemoglobina A (de «adulto»), para distinguirla de una hemoglobina en los fetos, denominada hemoglobina F.

Desde 1949, los bioquímicos han descubierto otra serie de hemoglobinas anormales, aparte de aquellas en las células falciformes, y las han diferenciado con letras, existiendo la hemoglobina C hasta la hemoglobina M. Al parecer, los genes responsables de la formación de la hemoglobina han mutado en muchos alelos defectuosos, dando origen cada uno de ellos a una hemoglobina que no realiza tan eficazmente la función de transporte como lo hace la molécula en condiciones ordinarias, pero que quizás es de utilidad en alguna condición no usual. Así, del mismo modo que la hemoglobina S, cuando su presencia ha sido determinada por un solo gen, aumenta la resistencia a la malaria, la hemoglobina C, cuando también es determinada por un solo gen, incrementa la capacidad del organismo para subsistir con cantidades mínimas de hierro.

Puesto que las diversas hemoglobinas anormales difieren en su carga eléctrica, deberán ser distintas de algún modo en la disposición de los aminoácidos en la cadena peptídica, pues el orden de sucesión de los aminoácidos en ésta es responsable de la carga eléctrica de la molécula. Las diferencias suelen ser pequeñas, debido a que las hemoglobinas anormales desarrollan, después de todo, la misma función que la hemoglobina. La esperanza de establecer dónde radica la diferencia en una enorme molécula, de aproximadamente 600 aminoácidos, era muy pequeña. No obstante; el bioquímico alemán residente en Norteamérica Vernon Martin Ingram y sus colaboradores atacaron el problema de la química de las hemoglobinas anormales.

Primero fragmentaron las hemoglobinas A, S y C en péptidos de diversos tamaños, dirigiéndolas con una enzima proteolítica. Luego separaron los fragmentos de cada hemoglobina mediante la «electroforesis sobre papel», es decir, usando la corriente eléctrica para transportar las moléculas a través de una tira húmeda de papel de filtro, en vez de hacerlo a través de una solución. (Podemos suponerla como un tipo de cromatografía sobre papel en la que se hace uso de la acción separadora de la electricidad.) Una vez los investigadores hubieron realizado esta separación con los fragmentos de cada una de las tres hemoglobinas, hallaron que la única diferencia entre ellas era que un solo péptido aparecía en cada caso en diferentes lugares.

Seguidamente sometieron a este péptido a una ulterior fragmentación y análisis. Observaron que estaba constituido por nueve aminoácidos y que la disposición de éstos era exactamente la misma en las tres hemoglobinas salvo en una posición. Las estructuras correspondientes fueron:

Hemoglobina A: His-Val-Leu-Leu-Tr-Pro-Glu-Glu-Lis

Hemoglobina S: His-Val-Leu-Leu-Tr-Pro-Val-Glu-Lis

Hemoglobina C: His-Val-Leu-Leu-Tr-Pro-Lis-Glu-Lis

Podía apreciarse, pues, que la única diferencia entre las tres hemoglobinas consistía en aquel único aminoácido que ocupaba la posición siete en el péptido: era el ácido glutámico en la hemoglobina A, la valina en la hemoglobina S y la lisina en la hemoglobina C. Ya que el ácido glutámico da origen a una carga negativa, la lisina a una carga positiva y la valina no aporta ninguna carga, no es sorprendente que las tres proteínas se comporten de manera diferente en la electroforesis, pues su carga global es distinta.

Pero, ¿por qué una modificación tan ligera en la molécula determina un cambio tan drástico en el glóbulo rojo? Bien, una tercera parte del glóbulo rojo normal la constituye la hemoglobina A. Las moléculas de hemoglobina A se hallan tan densamente dispuestas en el interior de la célula, que apenas si tienen espacio para moverse libremente; es decir, se hallan a punto de precipitar la solución. Uno de los factores que determinan que una proteína precipite o no es la naturaleza de su carga. Si todas las proteínas tienen la misma carga neta, se repelen entre sí y no precipitan. Cuanto mayor sea la carga (es decir la repulsión), tanto menos probable será que las proteínas precipiten. En la hemoglobina S, la repulsión intramolecular puede ser algo menor que en la hemoglobina A, y, en su consecuencia, la hemoglobina S será menos soluble y precipitará con mayor facilidad. Cuando una célula falciforme posee un gen normal, este último puede determinar la formación de suficiente hemoglobina A para mantener, aunque a duras penas, la hemoglobina S en solución. Pero cuando los dos genes sean mutantes determinantes de la formación de células falciformes, sólo producirán hemoglobina S. Esta molécula no puede permanecer en solución. Precipita, dando lugar a cristales que de forman y debilitan los hematíes.

Esta teoría explicaría por qué la variación en simplemente un aminoácido, en cada mitad de una molécula constituida por casi 600 aminoácidos, basta para provocar una enfermedad grave, casi siempre con un precoz desenlace fatal.

El albinismo y la anemia falciforme no son los únicos defectos en el ser humano atribuidos a la ausencia de una única enzima o a la mutación de un solo gen. La fenilcetonuria, un defecto hereditario del metabolismo, causa a menudo un retraso mental. Resulta de la carencia de una enzima necesaria para convertir el aminoácido fenilanina en tirosina. Por otra parte, la galactosemia, un trastorno que es causa de cataratas y lesiones en el encéfalo y el hígado, ha sido atribuida a la ausencia de una enzima necesaria para convertir a la galactosa-fosfato en glucosafosfato. Existe un defecto que implica la ausencia de una u otra de las enzimas que controlan la escisión del glucógeno (una especie de almidón) y su conversión en glucosa, y que da como resultado la acumulación anormal de glucógeno en el hígado y en otros lugares, lo que conduce por lo general a una muerte precoz. Éstos son ejemplos de «errores congénitos del metabolismo», es decir, de una ausencia congénita de la capacidad para formar alguna enzima, de importancia más o menos vital, hallada en los seres humanos normales. Este concepto fue introducido por vez primera en Medicina por el médico británico Archibald E. Garrod, en 1908, aunque no recibió mucha atención durante una generación hasta que, a mediados de 1930, el genetista inglés John Burdon Sanderson Haldane llamó de nuevo la atención de los científicos sobre este asunto.

Tales enfermedades suelen ser gobernadas por un alelo recesivo del gen que produce la enzima en cuestión. Cuando sólo se halla ausente uno de los dos genes, el normal puede seguir realizando su función y, por lo general, el individuo es capaz de llevar una vida normal (como en el caso del poseedor del carácter de célula falciforme). En general, los problemas sólo surgen cuando los dos progenitores poseen el mismo desafortunado gen y se produce además la desgracia de que ambos se combinen en un huevo fertilizado. Su hijo será entonces víctima de una especie de ruleta rusa. Probablemente todos nosotros somos portadores de nuestra carga de genes anormales, defectuosos o incluso peligrosos, generalmente enmascarados por genes normales. Se puede ahora comprender por qué los estudiosos de la genética humana están tan preocupados por lo que la radiación, o cualquier otra causa, puede añadir a esta carga.

Lo realmente notable en la herencia no lo constituyen esas aberraciones espectaculares y relativamente raras, sino el hecho de que, con mucho, la herencia se haya ido formando de una forma tan auténticamente estricta. Generación tras generación, milenio tras milenio, los genes se han estado reproduciendo a sí mismos exactamente de la misma forma, generando exactamente los mismos enzimas, con sólo alguna ocasional variación accidental en su proyecto original. Es raro que fracasen ni siquiera en la introducción de un solo aminoácido equivocado en una amplia molécula proteínica. ¿Cómo se las apañan para realizar copias de sí mismos una y otra vez con tan absoluta y completa fidelidad?

La respuesta debe encontrarse en la química de las largas series de genes a los que llamamos cromosomas. Una gran proporción de los cromosomas, casi la mitad de su masa, está compuesto por proteínas. Esto no rsulta una sorpresa. A medida que avanzaba el siglo XX, los bioquímicos esperaban que cualquier compleja función corporal implicase proteínas. Las proteínas parecía ser
las
complejas moléculas corporales, las únicas lo suficientemente complejas para representar la versatilidad y sensibilidad de la vida.

Y, sin embargo, una gran proporción de las proteínas cromosómicas pertenecía a una clase llamada
histona
, cuyas moléculas son más bien pequeñas para una proteína y (peor aún) compuestas por una sorprendentemente simple mezcla de aminoácidos. No parecen lo suficientemente complicados como para ser los responsables de las delicadezas y complicaciones de la genética. En realidad, existen componentes de proteína sin histona que han formado parte de moléculas mucho más complicadas y completas, pero, en su conjunto, no representaban más que una porción menor del total.

Sin embargo, los bioquímicos quedaron atascados con las proteínas. Con seguridad, el mecanismo de la herencia debía implicar algo más. Casi la mitad de los cromosomas están formados por material que no es proteínico en absoluto, pero no parece posible que pueda ser adecuada cualquier otra cosa que no sean proteínas. De todos modos, ahora debemos dedicarnos precisamente a ese constituyente no proteínico de los cromosomas.

En 1869, un bioquímico suizo llamado Friedrich Miescher, mientras descomponía las proteínas de las células con pepsina, descubrió que este fermento no digería el núcleo de la célula. Éste se encogía algo, pero permanecía sustancialmente intacto. Por análisis químico, Miescher descubrió a continuación que el núcleo celular consistía en gran parte de una sustancia que contenía fósforo, en absoluto parecida a una proteína en sus propiedades. Denominó a la sustancia «nucleína». Fue rebautizada posteriormente con el nombre de «ácido nucleico» cuando, veinte años más tarde se apreció que era fuertemente ácida.

Miescher se dedicó al estudio de este nuevo material y, así, llegó a descubrir que los espermatozoides (que tienen muy poco material fuera del núcleo celular) eran particularmente ricos en ácido nucleico. Mientras tanto, el químico alemán Felix Hoppe-Seyler, en cuyos laboratorios Miescher había hecho sus primeros descubrimientos, y que personalmente había confirmado la labor del joven antes de permitirle que fuera publicada, aisló ácido nucleico a partir de las células de levadura. Éste parecía diferir en sus propiedades del material de Miescher, de tal modo que a la variedad de este último se la denominó «ácido timonucleico» (debido a que podía obtenerse con particular facilidad a partir del timo de los animales), y, naturalmente, a la de Hoppe-Seyler se la llamó «ácido nucleico de la levadura». Ya que el ácido timonucleico se obtuvo al principio a partir de las células animales y el ácido nucleico de la levadura sólo a partir de las células vegetales, se supuso, durante un cierto período de tiempo, que esto podía representar una diferencia química general entre los animales y las plantas.

El bioquímico alemán Albrecht Kossel, otro discípulo de Hoppe-Seyler, fue el primero en efectuar una investigación sistemática de la estructura de la molécula del ácido nucleico. Por hidrólisis cuidadosa aisló, a partir de él, una serie de compuestos nitrogenados, que denominó «adenina», «guanina», «citosina» y «timina». En la actualidad se sabe que sus fórmulas son:

A la estructura con dos anillos en los dos primeros compuestos se la denomina «anillo purínico» y al anillo único en las otras dos se lo denomina «anillo pirimidínico». Por lo tanto, la adenina y la guanina son
purinas
y la citosina y la timina,
pirimidinas
.

Por estas investigaciones, que fueron origen de una fructífera serie de descubrimientos, Kossel recibió el premio Nobel de Medicina y Fisiología de 1910.

En 1911, el bioquímico estadounidense de origen ruso Phoebus Aaron Theodore Levene, un discípulo de Kossel, llevó la investigación a una fase ulterior. Kossel había descubierto en 1891 que los ácidos nucleicos contenían hidratos de carbono, pero entonces Levene demostró que los ácidos nucleicos contenían moléculas de azúcar con 5 átomos de carbono.

(Esto fue, en aquel tiempo, un hallazgo poco usual. Los azúcares mejor conocidos, tales como la glucosa, contenían 6 átomos de carbono.) Levene dedujo este hecho al observar que las dos variedades de ácido nucleico diferían en la naturaleza del azúcar con 5 átomos de carbono.