Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (30 page)

¿Cómo pueden hallarse dispuestas las purinas y pirimidinas a lo largo de estas cadenas paralelas? Para poder ajustar bien una purina con su anillo doble, en un lado siempre debe encarar a una pirimidina, con un solo anillo en el otro, y así constituir una estructura con tres anillos. Dos pirimidinas no se proyectarían a una distancia suficiente como para cubrir la totalidad del espacio entre las cadenas paralelas; en cambio, las dos purinas se superpondrían. Además, una adenina en una cadena siempre se halla encarada a una timina en la otra, y una guanina en una cadena siempre está encarada a una citosina en la otra. De esta forma puede explicarse el hecho que A = T, G = C y A + T = G + C.

Este «modelo de Watson-Crick» de la estructura del ácido nucleico ha resultado ser extraordinariamente fructífero y útil, y Wilkins, Crick y Watson compartieron el premio Nobel de Medicina y Fisiología de 1962 en reconocimiento de su labor (Franklin había muerto en 1958, por lo que no se suscitó el asunto de su contribudición.)

El modelo de Watson-Crick hace posible, por ejemplo, explicar cómo un cromosoma puede duplicarse a sí mismo en el proceso de la división celular. Consideramos el cromosoma como un haz de moléculas de ADN. Las moléculas pueden primero dividirse por separación de las dos hélices desdoblando la hélice doble; podríamos decir que las dos cadenas se desenrollan. Esto puede tener lugar debido a que las purinas y pirimidinas contrapuestas se mantienen unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, lo suficientemente débiles como para ser rotos con facilidad. Cada cadena es una hemimolécula, que puede inducir la síntesis de su propio complemento perdido. Donde se encuentre una timina se enlazará una adenina; donde exista la citosina, se unirá una guanina, y así sucesivamente. Todos los materiales para elaborar las unidades y las enzimas necesarias se hallan, por otra parte, en la célula. La hemimolécula simplemente desempeña el papel de un «modelo» para que las unidades se dispongan en el orden apropiado. Las unidades eventualmente se situarán en los lugares adecuados y permanecerán ahí porque ésta es la disposición más estable.

Resumiendo, por lo tanto, cada hemimolécula induce la formación de su propio complemento, manteniéndose la unidad mediante enlaces de hidrógeno. De este modo, se sintetiza de nuevo la molécula total de ADN en su forma de hélice doble, y las dos hemimoléculas en las que se había dividido la molécula original forman así dos moléculas donde antes sólo existía una. Tal proceso, realizado en toda la longitud del ADN a lo largo de un cromosoma, creará dos cromosomas que son exactamente iguales y copias perfectas del cromosoma madre original. En ocasiones algo no se produce de un modo correcto: el impacto de una partícula subatómica o de una radiación de elevada energía, o también la intervención de ciertas sustancias químicas, puede determinar una imperfección de un lugar u otro del nuevo cromosoma. El resultado es una mutación.

Se han ido acumulando pruebas en favor de este mecanismo de replicación. Los estudios con isótopos radiactivos, donde se emplea nitrógeno pesado para marcar a los cromosomas y se sigue el destino del material marcado durante la división celular, tienden a corroborar la teoría. Además, se han identificado algunas de las enzimas importantes implicadas en el proceso de replicación.

En 1955, el bioquímico español Severo Ochoa aisló a partir de una bacteria
(Aztobacter vinelandii)
una enzima que era capaz de catalizar la formación del ADN a partir de los nucleótidos. En 1956, un discípulo de Ochoa, Arthur Kornberg, aisló otra enzima (a partir de la bacteria
Escherichia coli)
, que catalizaba la formación del ADN a partir de nucleótidos, y Kornberg hizo lo mismo con el ADN. (Los dos investigadores compartieron el premio Nobel de Medicina y Fisiología de 1959.) Kornberg también mostró que su enzima, en presencia de una pequeña cantidad del ADN natural que servía como molde, podía catalizar la formación de una molécula que parecía ser idéntica al ADN natural.

En 1965, Sol Spiegelman, de la Universidad de Illinois, utilizó el ARN de un virus vivo (la más elemental de las cosas vivientes) y produjo moléculas adicionales de esa especie. Puesto que estas moléculas adicionales poseyeron las propiedades esenciales del virus, aquello fue lo más parecido hasta entonces a la creación de vida mediante el tubo de ensayo. En 1967, Kornberg y otros lo imitaron, utilizando el ADN de un virus vivo como módulo.

La cantidad de ADN asociada a las manifestaciones más elementales de la vida es mínima —una simple molécula en un virus— y aún se la puede empequeñecer. En 1967, Spiegelman indujo al ácido nucleico de un virus a replicar y seleccionar muestras a intervalos cada vez más breves, a medida que se producían las réplicas. Por ese medio contó con determinadas moléculas que le permitieron dar fin al trabajo de forma asombrosamente rápida.., porque eran más pequeñas que las normales. Lo cierto fue que redujo el virus a una sexta parte del tamaño normal y multiplicó por quince su capacidad para la réplica.

Aunque el ADN es el que replica en las células, muchos de los virus más simples (subcelulares) contienen solamente ARN. Las moléculas ARN, en doble hilera, replican en esos virus. El ARN de las células forma una sola hilera y no replica.

Sin embargo, la estructura de una sola hilera y la réplica no se excluyen mutuamente. El biofísico norteamericano Robert Louis Sinsheimer descubrió un rastro de virus que contenía ADN formando una sola hilera. La molécula ADN tendría que replicar por sí misma, pero, ¿cómo lo haría con una sola hilera?

La respuesta no fue difícil. La cadena simple induciría la producción de su propio complemento y éste induciría después la producción del «complemento del complemento», es decir, una copia de la cadena original.

Es evidente que la disposición en una sola cadena es menos eficiente que la disposición en cadena doble (motivo por el cual probablemente la primera existe sólo en ciertos virus muy simples, y la última en todas las restantes criaturas vivientes). En efecto, en primer lugar, una cadena sencilla debe replicarse a sí misma en dos fases sucesivas, mientras que la cadena doble lo hace en una sola fase. Segundo, ahora parece ser que sólo una de las cadenas de la molécula de ADN es la estructura operante, el borde cortante de la molécula, por así decirlo. Su complemento puede imaginarse como una vaina protectora del borde cortante. La cadena doble representa el borde cortante protegido por la vaina, excepto cuando aquél está realizando su función; la cadena simple es el borde cortante en todo momento expuesto y sometido a un posible accidente que lo haga romo.

Sin embargo, la replicación simplemente determina la formación de una molécula de ADN. ¿Cómo realiza su trabajo, cuál es el de determinar la síntesis de una enzima específica, es decir, de una molécula proteica específica? Para formar una proteína, la molécula de ADN tiene que determinar la disposición de los aminoácidos en un cierto orden en una molécula constituida por cientos o miles de unidades. Para cada posición debe elegir el aminoácido correcto de entre, aproximadamente, 20 aminoácidos distintos. Si hubiera 20 unidades correspondientes en la molécula de ADN, el problema sería fácil. Pero el ADN está constituido por sólo cuatro sillares distintos: los cuatro nucleótidos. Reflexionando a este respecto, el astrónomo George Gamow sugirió en 1954 que los nucleótidos, en diversas combinaciones, pueden usarse como un código «genético» (de manera similar a como el punto y el guión en la clave Morse pueden combinarse de diversas maneras para representar las letras del alfabeto, los números, etc.).

Si se toman los cuatro nucleótidos distintos (A, G, C, T), de dos en dos, existirán 4 x 4, ó 16 posibles combinaciones (AA, AG, AC, AT, GA, GG, GC, GT, CA, CG, CC, CT, TA, TG, TC y TT). Éstas no son suficientes. Si se toman de tres en tres, existirán 4
´
4
´
4, o 64 combinaciones distintas, más que suficientes. (El lector puede distraerse anotando las diferentes combinaciones y viendo si puede hallar la 65.
^a.
)

Parece como si cada diferente «terceto de nucleótidos» representara un aminoácido particular. En vista del gran número de diferentes tercetos posibles, puede ocurrir muy bien que dos, o aún tres, diferentes tercetos representen un aminoácido particular. En este caso, la clase venética sería «degenerada», según la terminología de los criptógrafos.

Esto plantea dos problemas fundamentales: ¿Qué terceto (o tercetos) corresponde a cada aminoácido? ¿Y de que modo la información del terceto (que fue encerrada cuidadosamente en el núcleo, allí donde sólo se hallará el ADN) alcanza los lugares de formación de enzimas que se encuentran en el citoplasma?

Abordemos primeramente el segundo problema y consideremos las sospechas que han recaído sobre el ARN como posible sustancia transmisora de la información. Su estructura es muy similar a la del ADN, con diferencias que no afectan a la clave genética. El ARN tiene ribosa en lugar de desoxirribosa (un átomo de oxígeno más por nucleótido) y uracilo en lugar de timina (un grupo metílico, CH
₃
, menos por nucleótido). Además, el ARN se halla presente principalmente en el citoplasma, pero también, en una pequeña proporción, en los propios cromosomas.

No fue difícil ver, y posteriormente demostrar, lo que ocurría en realidad. Cuando las dos cadenas enrolladas de la molécula de ADN se desenrollan, una de estas cadenas (siempre la misma, el borde cortante) replica su estructura, no sobre los nucleótidos que forman una molécula de ADN, sino sobre aquellos que forman una molécula de ARN. En este caso, la adenina de la cadena de ADN no se unirá a los nucleótidos de la timina, sino, por el contrario, a los nucleótidos del uracilo. La molécula de ARN resultante, que transporta la clave genética impresa sobre su estructura nucleotídica, puede luego abandonar el núcleo y penetrar en el citoplasma.

Ya que transmite el «mensaje» del ADN, ha sido de nominado «ARN-mensajero» o simplemente «mARN».

El bioquímico rumano George Emil Paladeo gracias a una cuidadosa investigación con el microscopio electrónico, demostró, en 1956, que el lugar de producción de enzimas en el citoplasma eran unas minúsculas partículas, ricas en ARN y por lo tanto denominadas «ribosomas». En una célula bacteriana hay 15.000 ribosomas, quizá diez veces más que en una célula de mamífero. Son las más pequeñas de las partículas subcelulares u «orgánulas». Se pudo determinar pronto que el ARN mensajero, que transporta la clave genética en su estructura, se dirige hacia los ribosomas y se sitúa en uno o más de ellos; se descubrió asimismo que la síntesis de la proteína se realiza en los ribosomas.

La siguiente etapa fue salvada por el bioquímico norteamericano Mahlon Busch Hoagland, quien investigó activamente el problema del mARN; demostró que en el citoplasma existía una variedad de pequeñas moléculas de ARN, que podían denominarse «ARN-soluble» o «sARN», debido a que sus pequeñas dimensiones les permitían hallarse libremente disueltas en el líquido citoplasmático.

En un extremo de cada molécula sARN había, un terceto especial de nucleótidos que se correspondía exactamente con otro terceto complementario en algún lugar de la cadena mARN. Es decir, si el terceto sARN estaba compuesto por AGC se ajustaría firme y exclusivamente al terceto UCG de la mARN. En el otro extremo de la molécula sARN había un punto donde ésta se combinaría con un aminoácido específico, y también exclusivamente. Así, pues, en cada molécula sARN el terceto de un extremo comportaba un aminoácido específico en el otro. Por consiguiente un terceto complementario en la mARN significaba que sólo se adheriría allí una determinada molécula sARN portadora de cierta molécula de aminoácidos. Un número muy elevado de moléculas sARN se adherirían consecutivamente en toda la línea a los tercetos constitutivos de la estructura mARN (tercetos que se habían moldeado justamente en la molécula ADN de un determinado gen). Entonces, una vez alineados adecuadamente todos los aminoácidos, se les podría acoplar con facilidad para formar una molécula de enzima.

Como quiera que la información transmitida desde la mensajera ARN es transferible por ese conducto a la molécula proteínica de la enzima, se ha dado en llamarla «transferencia-ARN», denominación que se ha generalizado hoy día.

En 1964, un equipo dirigido por el bioquímico norteamericano Robert W. Holley analizó minuciosamente la molécula «transferencia-ARN» de la alanina (la transferencia-ARN que se adhiere a la alanina, raíz de diversos aminoácidos). Se empleó el método Sanger, es decir, de integración de la molécula en pequeños fragmentos mediante las apropiadas enzimas, para analizar seguidamente esos fragmentos y deducir cómo encajaban unos con otros. Se averiguó que la transferencia-ARN de la alanina —el primer ácido nucleico de formación natural que se analizó totalmente— está constituido por una cadena de 77 nucleótidos. Entre éstos no figuran solamente los cuatro nucleótidos característicos del ARN (A, G. C y U), sino también otros siete estrechamente asociados a ellos.

Al principio se supuso que la cadena lineal de la transferencia-ARN se doblaría por el centro como una horquilla y los dos extremos se entrecruzarían formando una doble hélice. Sin embargo, la estructura de la transferencia-ARN de alanina no se adaptó a ese modelo. En su lugar pareció estar constituido por tres bucles que le daban el aspecto de un trébol trifoliado asimétrico. En años subsiguientes se analizaron concienzudamente otras moléculas de transferencia-ARN y todas ellas parecieron tener la misma estructura de trébol trifoliado. Como recompensa por su trabajo, Holley recibió una participación en el premio Nobel de Medicina y Fisiología el año 1968.

Por ese medio la estructura de un gen controla la síntesis de una estructura específica. Queda todavía mucho por hacer, pues los genes no siempre organizan la producción de enzimas con carácter continuo e intensivo. Puede ser que el gen haga una labor eficiente durante algún tiempo y luego aminore el ritmo o incluso permanezca inactivo. Algunas células fabrican proteína a gran velocidad y cuando alcanzan su capacidad máxima combinan unos 15 millones de aminoácidos por cromosoma cada minuto; otras lo hacen lentamente, y aún hay otras que apenas trabajan; sin embargo, todas las células de un organismo determinado tienen la misma organización génica. Por añadidura, cada tipo de células en el cuerpo está sumamente especializado, con funciones y comportamiento característicos. Una célula individual puede sintetizar una proteína determinada con gran rapidez unas veces y pausadamente otras. Pero, por otro lado, todas ellas presentan la misma organización génica en cualquier momento.