Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (19 page)

Un grupo de bioquímicos que trabajaban en Cambridge dirigidos por Alexander Todd demostraron a finales de los cuarenta que los nucleótidos estaban en realidad conectados en una cadena de una manera específica. El esqueleto de la cadena está constituido por azúcar y grupos fosfato en orden alternante. Los azúcares y los grupos fosfato están conectados entre sí, de tal manera que un grupo base sobresale por el lateral de cada azúcar. Fue esta información fundamental la que utilizaron Crick y Watson, junto con imágenes obtenidas por di-fracción de rayos X, para descubrir la estructura global del ADN en 1953.

Las primeras fotografías del ADN obtenidas por difracción de rayos X las consiguió William Astbury en 1938. Sin embargo, se produjo una interrupción de los trabajos (de nuevo, causada en parte por la Segunda Guerra Mundial) hasta que, a principios de la década de 1950, un equipo del King's College de Londres retomó otra vez la investigación sobre la estructura del ADN siguiendo la misma línea. Las fotografías que fueron clave para aportar la información que Crick y Watson necesitaban las realizó una joven investigadora, Rosalind Franklin. Franklin habría resuelto por sí misma el problema de la estructura si Crick y Watson no le hubieran ganado por la mano
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pero, debido a que murió joven (en 1958), no recibió su parte del Premio Nobel que se otorgó a Crick y a Watson en 1962, y por consiguiente el papel que desempeñó Rosalind Franklin en toda esta historia no siempre se trata como merece.

Las fotografías realizadas mediante rayos X mostraban que la estructura de las moléculas del ADN tenían que ser helicoidales. La idea clave por la que el equipo de Cambridge ganó el Premio Nobel tenía dos componentes. En primer lugar, que la pauta que seguía la difracción significaba que la molécula era una hélice doble, con dos hebras retorcidas una en torno a la otra (una idea que también Franklin tuvo y mencionó en sus anotaciones). La segunda componente era que la disposición de las bases a lo largo de la columna vertebral de la molécula de ADN constituye para las dos hebras de la hélice un modo natural de mantenerse unidas, del mismo modo que la estructura de la alfa-hélice de una proteína se mantiene rígida gracias a los enlaces de hidrógeno.

Todo esto depende de la estructura detallada de las moléculas de las distintas bases. La timina y la citosina están hechas cada una de ellas de un anillo hexagonal en el que hay cuatro átomos de carbono y dos átomos de nitrógeno, junto con otras sustancias (hidrógeno, grupos metilo y otros) acopladas en torno a los lados del anillo. La adenina y la guanina están formadas cada una de ellas por un anillo hexagonal similar y este anillo se une a lo largo de uno de sus lados (como cuando dos baldosas se unen lado con lado) con un anillo pentagonal, que es como el primer anillo pero con un átomo menos de carbono. Por otra parte, hay otras sustancias, pero muy pocas, tales como el hidrógeno y los grupos amino, que se unen por los lados. En una aproximación, A y G tienen un diámetro que es el doble que el de C y T.

Si dos hebras distintas de ADN se colocan lado con lado, con las bases en el medio y alineadas de tal forma que allí donde en la primera hebra había una A, resulta que en la segunda siempre había una T, mientras que allí donde en la primera hebra había una C, resulta que en la segunda había una G. La cantidad de espacio ocupado por cada par de bases (AT y CG) sería el mismo, por lo que no ha de haber arrugas en la cadena.
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Si alineamos las moléculas de esta manera, sucederá una cosa que nos llamará la atención: la forma de las moléculas A y T será justamente la adecuada para que se formen entre ellas dos enlaces de hidrógeno. Además la forma de las moléculas C y G será la indicada para que se formen entre ellas tres enlaces de hidrógeno. Las dos hebras del ADN se mantendrán unidas mediante los enlaces de hidrógeno a lo largo de toda su extensión, encajando A con T al encontrarse una contra otra, y C con G de la misma manera, como una llave que encaja en la cerradura, o como juegos de clavijas eléctricas de dos púas y tres púas que encajan en sus enchufes respectivos. El puente TA es exactamente del mismo tamaño y de la misma forma que el puente CG. El esquema que tenemos ahora es bastante parecido al de los raíles paralelos de una línea ferroviaria, unidos y separados por piezas cruzadas, como traviesas de la vía del ferrocarril. Aplicándole una torsión a esta estructura de dos hebras, obtenemos una hélice doble de ADN: la doble hélice.

Desde luego, esto no sucede por casualidad. La estructura del ADN no está formada por dos hebras aleatorias que se asocian al azar, sino que está construida a partir de unidades de nucleótidos, de tal forma que queda garantizado que A siempre está situada en posición opuesta a T y G siempre está en posición opuesta a C. El mejor modo de ver cómo sucede esto es observar el proceso en el que se copia el ADN cuando una célula se reproduce. No le supone un gran esfuerzo a la maquinaria química de la célula romper los enlaces de hidrógeno (que, como se recordará, son relativamente débiles) en un extremo de la hebra de ADN y comenzar a desenrollarla. Cuando se produce esto, cada extremo libre del ADN se adherirá de forma natural a los socios adecuados que encuentre en la sopa química de materia que rodea a la célula. Allí donde una hebra de ADN presenta una A se adherirá a un nucleótido T que se encuentre en los alrededores; donde presente una T, agarrará a una A que pase por allí. Donde se presente una C, se enganchará con una G (y viceversa). Cuando la doble hélice original se desenreda, cada una de las dos hebras forma una nueva hebra para que sea su pareja, y lo hace paso a paso a lo largo de la cadena, actuando como una plantilla.
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Al llegar el momento en que se ha desenredado por completo, cada hebra ya ha finalizado la construcción de una nueva pareja, con lo que se consiguen dos moléculas de ADN idénticas donde sólo había una. Cuando la célula se divide, una copia de cada molécula de ADN se transmite a cada una de las dos hijas, con lo que la vida sigue adelante.

Según los trabajos de Crick y Watson, también era obvio de una manera inmediata que las secuencias de las bases a lo largo de una hebra de ADN (la pauta de las «letras» A, C, G y T) podía transmitir información, como las letras del alfabeto, o la secuencia de aminoácidos a lo largo de una proteína. A primera vista, un alfabeto con sólo cuatro letras podría parecer restringido. Pero tanto el código Morse como los ordenadores utilizan un alfabeto binario en el que existen únicamente dos letras (el punto y el guión en Morse; conectado y desconectado, es decir, «on» y «off», en el alfabeto binario de los ordenadores). Se puede expresar lo que se desee en un alfabeto binario (no digamos en un alfabeto de cuatro letras), con tal de que las palabras puedan ser lo suficientemente largas. Así, el ADN que se encuentra en el núcleo de una célula de nuestro cuerpo lleva una gran cantidad de información: una descripción completa de la construcción, el cuidado y el mantenimiento de un cuerpo humano.

El modo en que el ADN trabaja consiste en transmitir información a la maquinaria celular sobre cómo fabricar proteínas. Resulta que el código genético está escrito en realidad con palabras cuya longitud es sólo de tres letras (tres bases), porque todo lo que cada palabra tiene que hacer es especificar un aminoácido concreto. Así, la secuencia de bases existente a lo largo de un breve segmento de una hebra de ADN podría escribir un mensaje como por ejemplo ACG TCG TCA GGC CCT. Este mensaje indica a la maquinaria celular que disponga cinco aminoácidos concretos en un cierto orden cuando construya una cadena proteica. Dado que un alfabeto de cuatro letras se puede utilizar para construir sesenta y cuatro palabras diferentes en las que aparecen tres letras, no hay ningún problema para codificar de esta manera veintitantos aminoácidos, ni tampoco para hacer unos pocos signos de puntuación especiales, como la palabra de tres letras que significa «detener» (como cuando se dice «detener la formación de la proteína ahora»). En efecto «detener» es un mensaje tan importante que existen tres modos de codificarlo: UAA, UAG y UGA (la U representa al uracil; explicaremos su presencia más adelante).

Desde luego es mucho más fácil decir «la célula fabrica cadenas polipépticas a partir de aminoácidos de acuerdo con las instrucciones codificadas en el ADN», que hacer realmente las proteínas y, además, aún no se ha llegado a entender perfectamente la totalidad del proceso. Sin embargo, sus pasos clave están bastante claros.

Lo que en realidad sucede cuando hay que fabricar una cierta proteína (y uno de los enigmas es precisamente cómo sabe la célula cuándo es necesario) es que la parte importante del ADN que está enrollado en el núcleo de la célula se despliega y se copia el mensaje correspondiente, utilizándolo como una plantilla y formando una cadena de nucleótidos a lo largo de la hebra desplegada para fabricar otra hebra del ácido nucleico. Esta nueva hebra no es en realidad de ADN, sino ARN, una molécula en forma de cadena larga, casi idéntica, pero en la cual la unidad de azúcar es la ribosa, no la desoxirribosa, y que posee otra base, el uracil, en vez de la timina. En el ARN sigue habiendo solamente cuatro bases, pero en todos aquellos lugares en que habría una T en el ADN, hay una U en el ARN (que es la razón por la cual la U aparece en el código genético; véase más arriba).

Después, la hebra de ARN fabricada de esta manera (llamada ARN mensajero) sale del núcleo de la célula pasando a la sopa química que está alrededor y que constituye el principal volumen de la célula, donde una estructura llamada ribo-soma se pone en marcha. El ribosoma se desplaza a lo largo de la hebra del ARN mensajero, leyéndolo igual que la cabeza magnética de un magnetofón lee la cinta que pasa por ella. Es el ribosoma el que interpreta cada palabra de tres letras del mensaje codificado en forma de aminoácido y reúne a los aminoácidos en el orden correcto para fabricar la proteína específica. Luego, el ARN mensajero se rompe de tal forma que sus componentes pueden reutilizarse en otra ocasión.

Mientras algunos biólogos moleculares abordaban la cuestión del código genético y averiguaban cómo funciona todo esto (sorprendentemente, el asunto duró hasta bien entrada la década de 1960), otros estaban descifrando las estructuras de otras proteínas, incluidas las proteínas globulares que se hacen enrollando cadenas polipépticas. Las proteínas hacen casi todo lo que hay que hacer en nuestro cuerpo, incluso proporcionar la estructura del mismo. Por lo que respecta a los procesos biológicos, el papel más importante lo desempeñan unas proteínas llamadas enzimas, que son todas ellas proteínas globulares. Existen moléculas que incitan a otras moléculas a interaccionar de distintas maneras. Utilizando la terminología de la química, se dice que actúan como catalizadores.

La importancia de las enzimas se puede explicar mediante un sencillo ejemplo. Imaginemos una molécula grande y aproximadamente esférica (la enzima) que tiene en su superficie dos oquedades de forma irregular. Una de las oquedades tiene justo la forma adecuada para contener otra biomolécula de tamaño menor (de la misma manera que una pieza de forma irregular que encaja en un rompecabezas); la otra oquedad tiene la forma adecuada para contener otra biomolécula diferente. Cuando las dos moléculas ocupan estos huecos, se encuentran alineadas una con otra de tal modo que se pueden formar enlaces químicos entre ellas. Así, las dos se emparejan y son enviadas al interior de la célula como una sola unidad, con el fin de que realicen la tarea bioquímica que tengan que hacer.

Es importante indicar que la enzima permanece invariable después de llevar a cabo todo esto y puede repetir la jugada una y otra vez. Las enzimas son como unos robots perseverantes que repiten la misma tarea química indefinidamente (me recuerdan siempre a las pequeñas escobas de Fantasía, que transportaban interminablemente sus pequeños cubos de agua). Algunas enzimas unen moléculas (incluso las cadenas polipépticas) y otras las descomponen, dando un corte con sus tijeras químicas en las uniones entre aminoácidos. Algunas transportan moléculas hasta donde éstas son necesarias o retiran productos de desecho y los llevan al vertedero correspondiente; también las hay que incluso transportan energía de un lugar a otro.

Las enzimas son importantes, pero son sólo un componente más del cuerpo y, como sucede con todo lo demás, su estructura está codificada mediante el alfabeto de cuatro letras del código genético, guardado bajo llave en el ADN que se encuentra en el interior de las células del cuerpo. Antes de que nos vayamos a un nivel de tamaño superior para ver cómo interaccionan los cuerpos entre sí y con el medio ambiente en el que están inmersos, quisiéramos echar un breve vistazo a otro papel que desempeña el ADN: cómo se copia (de un modo ligeramente diferente a la división de una célula ordinaria en dos) y se transmite a la siguiente generación.

Hasta ahora nos hemos referido al núcleo de la célula y a su parte exterior, que es más amplia, sin explicar ningún detalle de la estructura de la célula. Dado que ya hemos utilizado el término «núcleo» de un modo similar para describir la estructura del átomo, la esencia de su significado es evidente aunque no hayamos especificado ningún detalle. De hecho, Emest Rutherford dio este nombre al núcleo del átomo precisamente porque este término ya se había utilizado en un contexto similar en la biología celular y deseaba hacerse eco de esta terminología. Sin embargo, con el fin de abordar el tema de la reproducción, deberíamos atar cabos explicando con un poco más de claridad cómo funciona una célula.

La célula es la unidad básica de la vida. Cada célula tiene en sí todos los atributos de la vida, incluida la reproducción; todos los órganos complejos de los seres vivos, sea cual sea su función, están compuestos por células. Un óvulo fertilizado de un animal, o la semilla de una planta, es una única célula que es capaz de dividirse y crecer para formar un organismo adulto. Esto incluye muchas tareas de división y multiplicación; en nuestro cuerpo existen alrededor de cien billones de células, aproximadamente un número de células mil veces mayor que el número de estrellas brillantes que hay en toda la Vía Láctea (véase el capítulo 10).

Toda célula está rodeada por una membrana, que la encierra y restringe el flujo de sustancias químicas hacia y desde el interior de la célula. Dentro de esta membrana hay una sustancia gelatinosa (el citosol), en la cual están localizadas y actúan muchos tipos diferentes de subunidades biológicas; por ejemplo, los cloroplastos (en las células vegetales verdes) que contienen el pigmento verde denominado clorofila y participan en la fotosíntesis. Además en el centro de la célula, envuelto en otra membrana, se encuentra el núcleo. Todo lo que está en el exterior del núcleo se llama citoplasma y es el lugar donde la célula realiza sus tareas, formando las biomoléculas a partir de compuestos sencillos, tales como el agua y el dióxido de carbono, siguiendo las instrucciones codificadas en el ADN. Pero, vamos a ignorar todo esto para concentrarnos en el propio ADN, que está almacenado dentro del núcleo en unas estructuras conocidas como cromosomas.
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