Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida El 28 de febrero de 1953, Francis Crick entró al restaurant-bar “Eagle” de Cambridge, Inglaterra, y anunció que él y James Watson habían “encontrado el secreto de la vida”. Al menos, eso es lo que Watson recuerda; el recuerdo de Crick es distinto. Las palabras exactas no importan tanto porque la verdad es que lo habían hecho.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Horas antes de aquel día, los dos científicos habían unido pieza por pieza la solución de un problema que los investigadores de todo el mundo se apresuraban en encontrar. Habían construido un modelo de ácido desoxirribonucleico (ADN) que demostraba por su propia estructura cómo el ADN podía ser todo lo que ellos fehacientemente creían que era: el portador de la información genética y, por lo tanto, la molécula clave de la herencia, la biología del desarrollo y la evolución.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Watson y Crick no eran necesariamente los científicos más brillantes del momento (aunque sí eran brillantes y mucho). No tenían la mayor experiencia; sus experimentos en esta área de la ciencia eran, de hecho, prácticamente inexistentes; no tenían el mejor equipo, ni siquiera sabían mucho de bioquímica.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Pero a pesar de estas contrariedades, hicieron un descubrimiento que, en el medio siglo siguiente, ha transformado la ciencia, la medicina y gran parte de la vida moderna -aunque su impacto completo está todavía por llegar. La historia sobre cómo esta singular pareja resolvió el misterio más básico de la biología molecular es un recordatorio de que las mentes brillantes y una formación de primera no son necesariamente suficientes para penetrar en los secretos de la naturaleza. También se necesita resistencia, perseverancia, tenacidad y mucha suerte y, como Watson probó inadvertidamente en 1968 con su éxito de ventas "La Doble Hélice", su controvertida versión del descubrimiento, un poco de arrogancia nunca viene mal.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida ¿Pero que es el ADN (ácido desoxirribonucleico)? Los ácidos nucleicos, llamadas así porque en un principio fueron localizados en el núcleo celular, son compuestos orgánicos de elevado peso molecular, esto es, son macromoléculas (moléculas muy grandes). Son las moléculas de la herencia y por lo tanto participan en los mecanismos mediante los cuales las características hereditarias (información genética) se almacena, replica y transmite, con alta fidelidad, de una generación a otra. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: a) ADN (ácido desoxirribonucleico) y b) ARN (ácido ribonucleico).

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Químicamente, los ácidos nucleicos son moléculas muy grandes formadas por la unión, mediante enlaces químicos, de moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos. Los nucleótidos son compuestos químicos que están formados por: a) Una base nitrogenada derivada de la “purina o la pirimidina”. b) Un azúcar de cinco átomos de carbono. c) Una molécula de ácido fosfórico.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida a) Bases nitrogenadas: son compuestos orgánicos cíclicos (cadena cerrada de 1 o 2 anillos), que incluyen dos o más átomos de nitrógeno. Existen muchas bases nitrogenadas, pero por ser parte fundamental de los ácidos nucléicos, cinco son las principales (adenina, guanina, citosina, timina y uracilo). Son sustancias derivadas de dos compuestos químicos llamados “purina y pirimidina”.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Las bases nitrogenadas que derivan de la “purina” se denominan “bases púricas o purínicas” (con dos anillos, uno de 6 átomos y otro de 5 átomos); en los nucleótidos vamos a encontrar, normalmente, dos bases púricas: la adenina (A) y la guanina (G). Observa en el dibujo que el H del carbono 6 de la purina es sustituido por un grupo amino (NH2) para formar la adenina; de la misma manera los H de los carbono 2 y 6 son sustituidos por NH2 y oxígeno (O) respectivamente para formar la guanina.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Las bases nitrogenadas que derivan de la “pirimidina” se llaman “bases pirimídicas o pirimidínicas” (con un solo anillo de 6 átomos) y son tres la citosina (C), la timina (T) y el uracilo (U). Observa en el dibujo que el H del carbono 2 y del carbono 4 de la pirimidina es sustituido por un oxígeno (O) y por un grupo amino (NH2) respectivamente para formar la citosina; por dos oxígenos (O) para formar uracilo (U) y por dos oxígenos y un radical metil (CH3) para formar la timina Las bases nitrogenadas A, T, G y C se encuentran en el ADN, mientras que en el ARN en lugar de timina (T) existe el uracilo (U).

Bases Nitrogenadas

Bases Nitrogenadas

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Un punto fundamental es que las bases púrinicas y pirimídinicas son complementarias entre sí, es decir, forman parejas de igual manera que lo harían una llave y su cerradura; la adenina y la timina son complementarias, uniéndose gracias a dos puentes de hidrógeno, mientras que la guanina y citosina se unen mediante tres puentes de hidrógeno. Dado que en el ARN no existe timina, la complementariedad se establece entre adenina y uracilo mediante dos puentes de hidrógeno.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida La complementariedad de las bases nitrogenadas es la clave de la estructura del ADN y tiene importantes implicaciones, pues permite procesos como la replicación del ADN, la transcripción de ADN a ARN y la traducción del ARN en proteínas, temas que serán tratados más adelante.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida B) Azúcar (también llamado glúcido): el azúcar que interviene en la formación de los nucleótidos puede ser la ribosa (R) o la desoxirribosa (dR). La ribosa y la desoxirribosa son azucares simples (monosacáridos) cuya estructura es cíclica formada por 5 átomos de carbono; son azúcares muy importante en los seres vivos porque son componentes de los ácidos ribonucleicos. Conviene destacar que la desoxirribosa es un derivado de la ribosa por pérdida de un átomo de oxígeno en el hidroxilo del carbono 2‘, como puede observarse en las imágenes mostradas en el cuadro de la derecha.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida El azúcar (ribosa o desoxirribosa) y las bases nitogenadas (timina, guanina, citosina, adenina y uracilo) se unen entre sí, formando una nueva molécula que se llama “nucleósido”. El enlace se forma entre el carbono del azúcar (ribosa o desoxirribosa) y uno de los nitrógenos de la base nitrogenada (como se indica en las figura de la izquierda).

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Al unirse la ribosa o desoxirribosa (azúcar) con una base nitrogenada (timina, guanina, citosina, adenina o uracilo) para formar un nucleósido, se forma una molécula de agua (H2O). Este enlace recibe el nombre de enlace “N-glicosídico”. En la figura, en círculo rosa, puede ver como se forma la molécula de H2O y donde se localiza el enlace.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Nucleósidos que forman parte de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN)

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida c) Ácido fosfórico, es un compuesto químico de fórmula H3PO4 que, en la formación de la cadena de los ácidos nucléicos, se une a un nucleósido para formar un “nucleótido”. Es una unión entre un OH del ácido fosfórico y el OH situado en el carbono 5 del azúcar, con formación de una molécula de agua. Este enlace recibe el nombre de enlace “fosfoéster”. En la figura, en círculo rosa, puede ver como se forma la molécula de H2O y donde se localiza el enlace.

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Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Los nucleótidos son las moléculas que constituyen a los ácidos nucléicos (ADN y ARN); son monómeros, o sea, moléculas que son capaces de unirse entre sí o con otras para dar lugar a moléculas más grandes llamadas polímeros. Los nucleótidos se forman cuando se unen el ácido fosfórico y un nucleósido. Según el azúcar del nucleósido, sea la ribosa o la desoxirribosa, tendremos ribonucleótidos o desoxirribonucleótidos. La timina nunca forma parte de los ribonucleótidos y el uracilo no forma parte de los desoxirribonucleótidos.

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Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Los nucleótidos además de unirse entre ellos mismos para formar las cadenas de ácidos nucléicos, algunos son interés biológico porque cumplen funciones por sí mismos, tales como: a) Nucleótidos que intervienen en las transferencias de energía. b) Nucleótidos que intervienen en los procesos de óxido-reducción. c) Nucleótidos reguladores de procesos metabólicos.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Dos nucleótidos se unen entre sí mediante un enlace, llamado fosfodiéster (flecha roja en el dibujo), que se forma entre un OH del ácido fosfórico de un nucleótido y el OH (hidroxilo) del carbono número 3 del azúcar (ribosa o desoxirribosa) del otro nucleótido con formación de una molécula de agua. Los dos nucleótidos unidos forman un dinucleótidos; la unión de otros nucleótidos dará lugar a un polinucleótido, es decir, ácidos nucleicos.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Es de destacar que en toda cadena de polinucleótidos el nucleótido de uno de los extremos tendrá libre el OH del azúcar en posición 3, éste será el extremo 3' de la cadena. El OH del ácido fosfórico del nucleótido que se encuentre en el extremo opuesto también estará libre, éste será el extremo 5'. Los extremos 5 y 3 marcan el sentido de la cadena de polinucleótidos. Toda cadena podrá considerarse bien en sentido 3-5' o en 5-3.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida En los dibujos de la izquierda se pueden observar dos cadenas de polinucleótidos; una para al ADN que contiene nucleótidos formados por desoxirribosa como azúcar y no tiene uracilo; y otra para el ARN que tiene ribosa como azúcar y no tiene timina.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Ácido desoxirribonucleico (ADN): dos cadenas de polinucleótidos se unen entre sí mediante bases nitrogenadas, por medio de puentes de hidrógeno, para formar la estructura del ADN. Como se mencionó anteriormente las bases nitrogenadas son complementarias entre sí, es decir, forman parejas de igual manera que lo harían una llave y su cerradura; la adenina y la timina son complementarias, uniéndose gracias a dos puentes de hidrógeno, mientras que la guanina y citosina se unen mediante tres puentes de hidrógeno.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida El apareamiento de las bases nitrogenadas, para formar el ácido desoxirribonucleico, se realiza únicamente entre la adenina y la timina, por una parte, y la guanina y la citosina, por la otra. Por lo tanto, la estructura de una cadena estaría determinada por la estructura de la otra, ambas cadenas serían complementarias. La complementariedad de las cadenas sugiere el mecanismo por el cual el ADN se copia -se replica- para ser trasferido a las células hijas. Ambas cadenas o hebras se pueden separar parcialmente y servir de molde para la síntesis de una nueva cadena complementaria. En el dibujo de la izquierda se puede observar la unión de dos cadenas de nucleótidos formando una porción de cadena de ácido desoxirribonucleico.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Estructura del ADN: se pueden distinguir 3 niveles estructurales: a) Estructura primaria: establece la secuencia de los nucleótidos. b) Estructura secundaria: denominada de la doble hélice. c) Estructura terciaria: también llamada collar de perlas. d) Estructura cristalina; ADN superenrollado.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Estructura primaria del ADN: es la secuencia de nucleótidos de una cadena o hebra. Es decir, la estructura primaria del ADN viene determinada por el orden de los nucleótidos en la hebra o cadena de la molécula. Para indicar la secuencia de una cadena de ADN es suficiente con los nombres de las bases o su inicial (A, T, C, G) en su orden correcto y los extremos 5' y 3' de la cadena nucleotídica. La posibilidad de combinar cuatro nucleótidos diferentes y la gran longitud que pueden tener las cadenas polinucleotídicas, hacen que pueda haber un elevado número de polinucleótidos posibles, lo que determina que el ADN pueda contener el mensaje biológico o información genética y explica la diversidad del mensaje genético de todos los seres vivos.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Estructura secundaria del ADN: Watson y Crick postularon en 1953 un modelo tridimensional para la estructura del ADN que estaba de acuerdo con todos los datos disponibles anteriores: el modelo de doble hélice. Este modelo, además de explicar cómo era el ADN, sugería los mecanismos que explicaban su función biológica y la forma como se replicaba.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Según el modelo de la doble hélice de Watosn y Crick , el ADN estaría constituido por dos cadenas o hebras de polinucleótidos enrolladas helicoidalmente sobre un mismo eje formando una doble hélice. Ambas cadenas serían antiparalelas, una iría en sentido 3-5' y la otra en sentido inverso, 5' -3'. Los grupos fosfato estarían hacia el exterior y de este modo sus cargas negativas interaccionarían con las cargas positivas presentes en el nucleoplasma dando más estabilidad a la molécula. Las bases nitrogenadas estarían hacia el interior de la hélice con sus planos paralelos entre sí y las bases de cada una de las hélices estarían apareadas con las de la otra asociándose mediante puentes de hidrógeno.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Esta estructura secundaria, puede desarmarse por un proceso llamado desnaturalización del ADN. Si una disolución de ADN se calienta suficientemente ambas cadenas se separan, pues se rompen los enlaces de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas, y el ADN se desnaturaliza. En este proceso no se rompen los enlaces fosfodiester que forman la secuencia de la cadena. Es un proceso reversible, ya que al bajar la temperatura se puede producir una renaturalización. La desnaturalización se produce también variando el pH o a concentraciones salinas elevadas. Si se restablecen las condiciones, el ADN se renaturaliza y ambas cadenas se unen de nuevo.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Estructura terciaria del ADN: se refiere a como se almacena el ADN en un volumen reducido. Varía según se trate de organismos procariotas (células que no tienen núcleo) o eucariotas (células que tienen núcleo): a) En células procariotas: se pliega como una súper-hélice en forma, generalmente, circular y asociada a una pequeña cantidad de proteínas. b) En células eucariotas: el empaquetamiento es más complejo y compacto. El ADN se encuentra en el núcleo asociado a ciertas proteínas, llamadas nucleoproteínas, formando la cromatina (unión del ADN + nucleoproteínas). En la cromatina, la doble hélice de ADN se enrolla alrededor de unas moléculas de proteínas llamadas las histonas, formando los nucleosomas.

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Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida TIPOS DE ADN: Según su estructura se distinguen los siguientes tipos de ADN: a) Monocatenarios o de una cadena; por ejemplo, los de algunos virus. b) Bicatenarios, con dos hebras o cadenas: por ejemplo, algunos virus, las bacterias y los eucariotas. A su vez, y en ambos casos, el ADN puede ser: a) Lineal, como por ejemplo el del núcleo de las células eucariotas y el de algunos virus. b) Circular, como el de las mitocondrias, cloroplastos, bacterias y algunos virus.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Entre las funciones y propiedades del ADN podemos resaltar: 1.- Almacena la información genética, que determina las características futuras de la célula y de los organismos que se desarrollan a partir de dicha información. 2.- Replicación de si mismo, o sea, elaboración de una copia idéntica del ADN. 3.- Controla la actividad de la célula. 4.- Transferencia mediante el ARN (ácido ribonucleico) de la información genética a las moléculas que realiza la síntesis de proteínas por intermedio de los aminoácidos que son las unidades que forman las proteínas. 5- Capacidad de mutación justificando los cambios evolutivos

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida El ADN y la biotecnología moderna: cuando los científicos comprendieron la estructura del ADN, de los genes, y cómo la información que portaban se traducía en funciones o características, comenzaron a buscar la forma de aislarlos, analizarlos, modificarlos y hasta de transferirlos de un organismo a otro para conferirle una nueva característica. Justamente, de eso se trata la ingeniería genética, a la que podríamos definir como un conjunto de metodologías que nos permite transferir genes de un organismo a otro, y que dio impulso a la biotecnología moderna. La ingeniería genética permite clonar (multiplicar) fragmentos de ADN y expresar genes (producir las proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. Así, es posible obtener proteínas de interés en organismos diferentes del original del cual se extrajo el gen, mejorar cultivos y animales, producir fármacos, y obtener proteínas que utilizan diferentes industrias en sus procesos de elaboración.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida En conclusión podemos decir, que el ADN (ácido desoxirribonucleico) se trata de una macromolécula (molécula muy grande) que está constituida por tres sustancias distintas: a) ácido fosfórico. b) Un monosacárido aldehídico del tipo pentosa (la desoxirribosa). c) Una base nitrogenada cíclica que puede ser púrica (adenina o citosina) o pirimidínica (timina o guanina). La unión de la base nitrogenada (citosina, adenina, guanina o timina) con la pentosa (desoxirribosa) forma un nucleósido; éste, uniéndose al ácido fosfórico, nos da un nucleótido; la unión de los nucleótidos entre sí por medio de un enlace diester nos da el polinucleótido, en este caso el ácido desoxirribonucleico.

Moléculas Maestras que Gobiernan la Vida Estructuralmente la molécula de ADN se presente en forma de dos cadenas helicoidales arrolladas alrededor de un mismo eje (imaginario); las cadenas están unidas entre sí por las bases que la hacen en pares. Los apareamientos son siempre adenina-timina y citosina-guanina. El ADN es la base de la herencia.