Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (18 page)

El mismo tipo de acoplamiento puede suceder entre otros aminoácidos, incluso entre aminoácidos de tipos diferentes. En el caso de la cisteína/cistina, los dos grupos que identifican al aminoácido se unen; pero en otros casos el grupo amina de un aminoácido puede acoplarse al OH del COOH de otro aminoácido, liberando agua y quedando el átomo de nitrógeno en esta ocasión para formar un puente (conocido como enlace peptídico) entre los dos aminoácidos residuales. A ambos lados de la molécula resultante se pueden acoplar de la misma manera nuevos enlaces, para formar una cadena conocida como polipéptido. Se trata de otra estructura en zigzag, cuya columna vertebral está formada por una pauta repetitiva de dos átomos de carbono, seguidos de un átomo de nitrógeno, dos átomos más de carbono, otro átomo más de nitrógeno, y así sucesivamente. Además, a lo largo de la cadena se puede acoplar una gran variedad de añadidos (incluso estructuras en forma de anillo), dependiendo de cuáles son los aminoácidos que se han unido para formar el polipéptido.

Una de las características diferenciadoras de este tipo de cadena es que el enlace peptídico, en el que un átomo de nitrógeno aparece ligado a un átomo de hidrógeno y a uno de carbono que siempre está acoplado a un átomo de oxígeno mediante un enlace único (no importa mucho a qué se una el tercer enlace del nitrógeno), es una estructura rígida que se mantiene mediante la resonancia cuántica mecánica. La cadena entera puede girar en torno a los otros enlaces, pero el enlace peptídico no se puede retorcer. Como resultado, las cadenas polipépticas sólo pueden enrollarse de determinadas maneras
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haciendo un ovillo (como ovillos de cuerda) para formar estructuras compactas. Aplicando los principios de la mecánica cuántica a estas estructuras, Linus Pauling consiguió averiguar cómo se enrollan las proteínas y pudo también analizar su estructura, abriendo así el camino para que otros investigadores estudiasen las biomoléculas por este procedimiento.

Una de las propiedades más importantes de una de estas cadenas se puede ver imaginándola estirada e ignorando el orden de la aburrida pauta repetitiva (CCNCCNCCN…) de los átomos a lo largo de la columna vertebral. La característica diferenciadora de una cadena polipéptica concreta (en particular, una proteína) se ve entonces como el orden de las distintas subunidades existentes a lo largo de la cadena, es decir, de los grupos acoplados a los laterales de la columna vertebral. Estos acoplamientos, conocidos a veces como radicales, son los fragmentos de los distintos aminoácidos que les dan su personalidad individual. A su vez, es el orden en que se encuentran estos radicales a lo largo de la cadena lo que les da a las proteínas su personalidad individual, y hace que estén enrrolladas de maneras determinadas, permitiéndoles (o forzándolas a) tomar parte en reacciones químicas específicas, y además también impidiéndoles que interaccionen de otras maneras.

La variedad de las proteínas que se pueden generar a partir de unos veinte aminoácidos es enorme. Se puede hacer una comparación con el alfabeto de la lengua inglesa. En este alfabeto, con sólo veintiséis caracteres se puede construir un número enorme de palabras, incluidas todas las de este libro. Si cada aminoácido es equivalente a una letra de una palabra, el número de proteínas que se pueden hacer combinando los enlaces en la cadena mediante el alfabeto de los aminoácidos es mayor que el número de palabras que puedan aparecer en el mayor diccionario de la lengua inglesa, ya que las cadenas polipépticas pueden ser mucho más largas que una palabra inglesa normal (la hemoglobina, una molécula de proteína de tamaño medio, tiene un peso molecular igual a aproximadamente 67.000). Sin embargo, hasta donde sabemos, sólo una minoría de todas estas opciones se utiliza realmente en las proteínas que son tan importantes para la vida.

Existen dos líneas en la historia de la investigación de las proteínas. Una línea de ataque incluye la determinación de la estructura física de las moléculas (cómo se pliegan las cadenas polipépticas); la otra línea incluye la identificación de las subunidades de aminoácidos y su orden a lo largo de la cadena en cada proteína específica.

La primera persona que utilizó los rayos X para estudiar la estructura de los cristales (al principio, estructuras muy sencillas, como los cristales de la sal común) fue Lawrence Bragg en 1912. Considerando los rayos X como ondas electromagnéticas, el modo en que estas ondas rebotan en los átomos de un cristal hace que las ondas interfieran entre sí, como las ondulaciones del agua en una charca, y la pauta de estas interferencias revela los detalles de la estructura del cristal. Bragg inventó la cristalografía mediante rayos X y recibió en 1915 el Premio Nobel de Física junto con su padre, William Bragg, por su trabajo conjunto en este campo. En la década de 1920 Lawrence Bragg desarrolló un conjunto de reglas para interpretar las pautas de rayos X producidas por cristales más complicados. Pero Linus Pauling, que trabajaba al otro lado del Atlántico, desarrolló las mismas reglas y fue el primero en publicarlas en 1929. Esto fue el comienzo de una larga y no siempre amistosa rivalidad entre el equipo de Bragg y el equipo de Pauling.

El paso siguiente consistió en aplicar la técnica de los rayos X para comprobar la estructura de las biomoléculas. Fue lo más natural comenzar por las proteínas, que, como ya hemos visto, son más comunes que cualesquiera otras biomoléculas. Las proteínas se presentan en dos variedades básicas: por una parte, estructuras largas y estrechas que mantienen el tipo de estructura alargada que se asocia generalmente con una cadena (el cabello es un buen ejemplo) y, por otra parte, estructuras globulares, en las que la cadena proteica básica está enroscada formando una bola.

Las primeras imágenes de la pauta de difracción por rayos X de una proteína fibrosa, una del grupo conocido como las queratinas, las obtuvo William Astbury (un antiguo discípulo de William Bragg) en la Universidad de Leeds a principios de la década de 1930. Las queratinas se encuentran en la lana, el cabello y en las uñas de nuestros dedos. Astbury descubrió que existe una pauta regular y repetitiva en la imágenes obtenidas mediante rayos X, lo cual significa que existe una estructura regular y repetitiva en la queratina; o, más bien, dos pautas distintas repetitivas, una correspondiente a fibras no estiradas (llamó a éstas alfa-queratina) y la otra a fibras estiradas (beta-queratina). Aunque la técnica no era aún lo suficientemente buena como para revelar la estructura exacta de las moléculas contenidas en la queratina, al menos servía para restringir las opciones posibles, descartando muchas posibilidades. Todo esto estimuló a varios científicos (especialmente los equipos liderados por Lawrence Bragg en Cambridge y por Linus Pauling en Caltech) para intentar hallar un modo de enrollar la cadena de una proteína con el fin de que encajara en las imágenes por rayos X.

Esto llevó mucho tiempo, en parte porque los investigadores tuvieron que retroceder hasta lo más básico, examinando la estructura de los enlaces existentes entre los distintos aminoácidos y averiguando cómo podían (o no podían) darle vueltas al asunto, y en parte a causa de la Segunda Guerra Mundial, durante la cual esta investigación prácticamente se detuvo. Después de la guerra, la técnica de los rayos X se volvió mucho más precisa y esto posibilitó a los buscadores de modelos dar el empuje final necesario para determinar la estructura de este tipo especial de proteína. Fue Pauling el que ganó la carrera, hallando la estructura de la alfa-queratina y publicando una serie de trabajos en 1951 en los que explicaba cómo se unen las moléculas de proteína para producir estructuras aparentemente tan diferentes como cabello, plumas, músculos, seda y asta. La estructura que había descubierto este equipo fue denominada alfa-hélice, siendo una característica fundamental de dicha estructura básica el modo en que el enlace peptídico se mantiene rígido. Otra razón para la estabilidad de la alfa-hélice es que, en esta disposición especial de la cadena polipéptica, el grupo NH de un enlace peptídico, gracias a su rigidez, está exactamente en el lugar adecuado para que el átomo de hidrógeno anide a lo largo del átomo de oxígeno en el enlace peptídico cuatro átomos de carbono más abajo en la cadena, de tal manera que puede formar un enlace de hidrógeno con el átomo de oxígeno. Cada uno de los enlaces peptídicos de la alfa-hélice está acoplado de esta manera con un vecino, y esto explica por qué tiene la molécula esa estructura repetitiva característica que muestra en sus personales imágenes de difracción de los rayos X.

Los diferentes tipos de queratina son el resultado de unas sutiles diferencias en la disposición de los aminoácidos específicos contenidos en las cadenas. Por ejemplo, en los tipos de queratina dura que forman sustancias tales como las uñas de nuestros dedos, hay muchos componentes de cisteína. Pero cuando dos moléculas de cisteína se tocan, como ya hemos visto, liberan hidrógeno y se unen mediante un puente de disulfuro, un auténtico enlace covalente. En las hileras de proteínas duras, las alfa-hélices se sitúan una al lado de la otra, fuertemente ligadas entre sí de esta manera, para formar resistentes capas de materia.

En el cabello los enlaces disulfuro operan de un modo ligeramente diferente, pues mantienen conjuntos de tres alfa-hélices entrelazadas y juntas, del mismo modo que unas tiras de cuerda se pueden retorcer juntas para hacer una cuerda más fuerte. Cuando al cabello se le aplica un tratamiento que rompe los puentes de disulfuros, éste se vuelve blando y se puede rizar fácilmente para darle un aspecto distinto. Después se puede tratar químicamente para restablecer los puentes de disulfuro y se quedará con su nuevo aspecto, de hecho, así es como los peluqueros realizan lo que se llama una «permanente».

En las beta-queratinas las cadenas polipépticas no forman hélices, sino que están en zigzag una a lo largo de la otra. En vez de tener enlaces de hidrógeno que se establecen dentro de una cadena, para mantener el aspecto helicoidal los enlaces se forman de un modo similar entre fibras proteicas vecinas, produciendo una estructura mucho más suave. Precisamente uno de los más conocidos ejemplos de esta estructura es famoso por su suavidad: la seda.

Siguiendo el éxito de Pauling con la alfa-hélice, la idea de buscar estructuras helicoidales en las moléculas biológicas disparó la imaginación de otros investigadores. La mayor recompensa fue conseguir determinar la estructura del ADN, del que se sabía por entonces (principios de la década de 1950) que era la molécula que llevaba la información genética de una generación a la siguiente. El ADN se encuentra en el núcleo de las células de los organismos vivos, por lo que se llama una nucleína. Es un compuesto ligeramente ácido, de ahí su nombre de ácido nucleico, y contiene desoxirribosa, por lo que se denomina ácido desoxirribonucleico, dando las siglas ADN.

La función principal del ADN en los procesos vitales comenzó a estudiarse con detalle a finales de los años veinte, realizándose en aquel tiempo investigaciones sobre el modo en que actúa la bacteria causante de la neumonía. Después de una enorme cantidad de duro y esmerado trabajo, en 1944 quedó claro ya que las diferencias entre los distintos tipos de bacterias de la neumonía eran producidas por desigualdades en el ADN de sus células. Dicho de otro modo, era el ADN lo que hacía diversas a las bacterias. Dado que las células de todos los seres vivos contienen ADN y que mucho tiempo antes se había constatado que aquello que hace a las especies distintas unas de otras está en sus células —en realidad está envuelto en los núcleos de las células de la mayoría de las especies, incluidos nosotros mismos— estaba claro que el ADN contenía el secreto de la propia vida. Pero ¿qué era exactamente el ADN? ¿Cómo se enrollan sus moléculas dentro del núcleo de las células? ¿Cómo hace el ADN para transmitir información de una generación a la siguiente?

El gran avance decisivo partió de dos investigadores del laboratorio de Bragg en Cambridge, Francis Crick y James Watson. Al final, el grupo de Cambridge había vencido al de Pauling, lo que constituyó una fuente de gran satisfacción en aquella época, al menos en Cambridge, aunque esto hoy en día parezca sólo una anécdota sin importancia dentro de la historia. Lo hicieron utilizando el mismo planteamiento que habían aplicado Bragg y Pauling para las proteínas: una combinación de fotografías por difracción de rayos X realizadas para hacerse una idea sobre el tipo de estructuras de que se trataba, y haciendo modelos para averiguar cómo podrían encajar juntos los distintos componentes de la molécula que estaban estudiando.

Hacia la década de 1930, algunos químicos que trabajaban en química orgánica habían conseguido averiguar cuáles eran las componentes del ADN, a pesar de que en aquella época todavía no eran plenamente conscientes del papel que desempeñaba este compuesto en los procesos biológicos; así, durante las tres primeras décadas del siglo
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, se aceptaba en general que dentro del núcleo el ADN actuaba como una especie de andamiaje para algunas moléculas proteicas que eran consideradas como las auténticas biomoléculas. Una molécula de ADN está formada exactamente por tres componentes, pero hay muchos ejemplos de cada tipo de componente dentro de una sola molécula de ADN. El primer tipo de componente es el azúcar llamado ribosa desoxigenada o desoxirribosa, que otorga al ADN su nombre y consiste en una molécula de cinco lados que contiene cuatro átomos de carbono y un átomo de oxígeno, formando todos ellos un anillo. El segundo es un grupo de átomos conocido como grupo fosfato, que consta de un átomo de fósforo rodeado por cuatro átomos de oxígeno.
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Y el tercero es un tipo de componente que se denomina base, aunque existen cuatro bases diferentes que están presentes en las moléculas de ADN (adenina, citosina, guanina y timina, a las que con frecuencia se alude sencillamente indicando sus letras iniciales).

Hacia la mitad de la década de 1930 estaba claro que el ADN se podía descomponer en unidades cada una de las cuales contenía una molécula de azúcar, un grupo fosfato y una base. Cada subunidad de este tipo se conoce con el nombre de nucleótido y parecía lógico suponer que estas subunidades estaban conectadas unas a otras para formar una cadena, de manera similar al modo en que están conectadas entre sí las subunidades de aminoácidos para formar una cadena en las moléculas proteicas. Estamos hablando de cadenas muy largas; sabemos actualmente que existen millones de átomos en una sola molécula de ADN (pero hay que tener presente que todos esos millones de átomos se presentan en exactamente cinco variedades: carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y fósforo, que están dispuestos formando unas pautas realmente interesantes). Pero ¿cómo estaban dispuestos los nucleótidos para hacer una molécula de ADN?