ADN Y HERENCIA

Juan Carlos Calvo

Publicado en Ciencia e Investigación 50 (1 y 2): 4-14, 1997.

En diciembre de 1949, casi cuatro años antes de James Watson y Francis Crick publicaran su modelo de ADN, comenzando la revolución de la biología moderna el matemático y diseñador de computadoras, John von Neumann, dio una conferencia explicando cómo podría reproducirse una máquina. Todo lo que necesita, dijo, es una descripción de sí misma. Una máquina con un núcleo magnético no puede reproducir el núcleo magnético haciendo un molde. Sin embargo, si tuviese una descripción que dijera: "núcleo magnético: cable de electricidad enrollado alrededor de una barra metálica 500 veces, etc.” y dispusiese del material necesario, podría seguir las instrucciones y construir el núcleo magnético. La máquina “hija” podría reproducirse, a su vez, si la máquina hiciese una copia de la descripción de sí misma e insertara esa copia en cada máquina nueva. Contando con los materiales necesarios, las máquinas continuarían produciendo copias de sí mismas. Este descripción de la máquina de von Neumann es análoga al ADN encontrado de los seres vivos. Como la máquina descrita, el ADN contiene la descripción codificada del organismo y es responsable de su capacidad para reproducirse.

Vida e información

Nuestra vida depende de la información. Frente a esta frase podemos tomar dos actitudes: dejarla pasar como una frase más, o detenernos unos instantes para reflexionar sobre su significado. Con esta monografía haremos lo último.

Cuando pensamos en información, vienen a nuestra cabeza ideas de periódicos, televisión, radio, computadoras y otros medios de comunicación, pero olvidamos otros sistemas que damos por sentado, a menos que carezcamos de alguno de ellos.

Pensemos, por ejemplo, en los cinco sentidos: vista, oído, de las gusto, olfato y tacto nos ponen en contacto con toda la información que proviene de nuestro exterior. Vendo nos enteramos de imágenes, formas, luces y colores. El oído nos transmite informaciones sonoras diversas. A través del gusto podemos saborear información relacionada con distintos sabores. Aromas variados llegan a nuestro cerebro a través del olfato y, tocando, recibimos información que nos da idea de texturas.

Pero, aún así, estamos dejando de lado muchos otros sistemas de información internos en nuestro organismo. Sistemas que reciben y retransmiten información entre los distintos órganos y tejidos o, más aún, entre las mismas células. Sin embargo, si nos detenemos en este nivel de información, estamos perdiendo el sistema informativo más importante, sin el cual ningún otro sistema de información existiría.

Hablamos del sistema que concentra y transmite toda la información necesaria para la formación de una célula, de los distintos órganos y tejidos, de un nuevo organismo vivo. Es el sistema que encierra en sí mismo la información que será transmitida de padres a hijos: la herencia genética.

Nos referimos al ácido desoxirribonucleico (ADN), encerrado en el núcleo de células eucariotas (que poseen núcleo pido verdadero), o disperso en células más primitivas (procariotas, en decir sin núcleo).

Este es, precisamente, el sistema informativo que analizaremos a continuación.

Para entender mejor del proceso de transmisión de la información genética y su almacenamiento, comenzaremos con una analogía con la transmisión oral y escrita.

En toda transferencia de información, es necesario que exista un informante y un recipiente (receptor) de esa información. También es necesario que ambos conozcan el mismo código, de lo contrario será necesaria la presencia de un traductor o decodificador.

En el caso de la información oral y escrita, el alfabeto es el centro de ese código. La mezcla de letras diferentes, según un código predeterminado, dará origen a las palabras con algún significado. La combinación de estas palabras en un cierto orden formará frases las que, a su vez, cuando organizadas en una forma conveniente darán lugar a una conversación o un escrito que será transmitido a otra persona. Este “receptor” de la información, conociendo las reglas y el código utilizados, será capaz de entender esta información y, a su vez, retransmitirla a otro individuo.

Si hemos entendido este proceso de transmisión de información, hemos comenzado a entender la manera en que una células transmite la información genética a sus hijas o la herencia genética que se pasa de padre a hijos.

Pensemos que toda información que codifica a un ser humano se encuentra, desde el comienzo, en esa célula que se originó cuando un espermatozoide fertilizó a un óvulo. En el caso de un ser humano, esa información tarda nueve meses en expresarse en forma casi completa, dando lugar a la formación de un individuo capaz de vivir fuera del ambiente materno, aunque aún en forma relativa.

Ello que sigue el texto, ahondaremos en este proceso y analizaremos los distintos componentes que forman este sistema complejo que es el de la maquinaria genética.

Un poco de historia.

Alrededor del año 1860, la mayoría de los biólogos aceptaba la idea que todas las plantas y animales estaban formados por células. Se sabía que las células originaban células nuevas mediante la división celular. Sin embargo, nadie podía explicar cómo se dividían las células.

El ADN fue descubierto en 1869 por Frederick Miescher, a los 25 años de edad.

Meischer era hijo de un médico muy conocido en Basel. En 1869, se encontraba en Tubingen estudiando la química de los glóbulos blancos sanguíneos con el bioquímico F. Hoppe-Seyler. Obtenía las células de vendajes quirúrgicos puros. Al agregar ácido clorhídrico al pus, obtenía núcleos puros. Si agregaba álcali a los núcleos y, luego, ácido se formaban un precipitado gris. Este precipitado no se parecía a las sustancias orgánicas conocidas. Como provenía de los núcleos, se lo denominó nucleína. Hoy se lo conoce como ADN.

Poco tiempo después del descubrimiento de Miescher, se desarrollaron nuevas técnicas de tinción que revelaron estructuras tipo “bandas”, que se coloreaban muy intensamente, en el núcleo de las células. En 1879, Walter Flemming introdujo el término cromatina (del griego croma: color) para describir el material que se teñía tan intensamente en el núcleo. En 1881, E. Zacharía encontró que la cromatina reaccionaba frente al ácido y al álcali tal como lo hacía la nucleína de Miescher. Concluyó que nucleína y cromatina eran lo mismo. La cromatina observada en 1880 es lo que hoy conocemos como cromosomas, los portadores de genes que son la base de la herencia.

La molécula del ADN

El ácido desoxirribonucleico es un polímero formado por una sucesión de moléculas (monómeros) que reciben el nombre de nucleótidos. Afortunadamente, solamente existen cuatro nucleótidos distintos en la molécula de ADN. Estos nucleótidos están, a su vez, formados por una molécula de azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Es esta base nitrogenada la que marca la diferencia entre los nucleótidos. Estos cuatro nucleótidos son equivalentes a las letras del alfabeto. Será la combinación de estas “letras” la que dará origen a las “palabras” y “frases”, cuando la información genética sea transmitida.

Los nucleótidos reciben sus nombres de las bases nitrogenadas que los componen: Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) y Guanina (G).

Una única molécula de ADN puede contener miles de estas bases, combinadas de manera diferente, lo que provee la diversidad de la información.

La unión entre los distintos nucleótidos se establece a través de enlaces fosfato y una molécula completa de ADN que se forma cuando dos cadena polinucleotídicas (significando muchos nucleótidos) se entrelazan.

Para que la información contenida en esta macromolécula de ADN pueda ser transmitida de una célula a sus hijas, es necesario que esta molécula pueda duplicarse. De esta manera, luego de una replicación exacta, cada célula hija recibirá la misma información. Fue, precisamente, el entender la estructura de la molécula de ADN y la forma en que ésta podía replicarse, lo que les valió a James Watson y Francis Crick el Premio Nobel de Medicina y Fisiología, compartido, en 1962.

Cada una de las cadenas que conforman la molécula de ADN posee una configuración idéntica, con un grupo fosfato en un extremo y un grupo hidroxilo (OH) libre en el otro extremo. Por convención, precisamente para que todos podamos entender el mismo código, se llama 5’ al extremo con el fosfato y 3’ al que presenta el hidroxilo libre. Si escribiésemos en un papel la secuencia de una de las cadenas, pondríamos por convención el extremo 5’ a la izquierda y el 3’ a la derecha. Si, ahora, escribiésemos la otra cadena debajo de la primera, deberíamos hacerlo en forma antiparalela, es decir, con el extremo 3’ hacia la izquierda y el 5’ hacia la derecha, porque así es como ambas cadenas se orientan en la realidad: en forma antiparalela.

Esta orientación da como resultado que la molécula de ADN se disponga en el espacio en forma de hélice doble.

Pero la característica realmente importante en la combinación de ambas cadenas es que ellas son complementarias. Es decir, que siempre a una A se le opondrá una T y a una C le corresponderá una G en la otra cadena. Como regla mnemotécnica los tangueros podrán utilizar Anibal Troilo y Carlos Gardel; los más progresistas Charly García y Tori Amos, o Antonio Tarragó para los más autóctonos. Ambas cadenas se mantienen unidas por fuerzas intermoleculares llamadas puente de hidrógeno (dos en el caso A-T y tres para C-G, lo que hace más fuerte a esta última unión).

Para la replicación, ambas cadenas deben separarse y los nucleótidos, reclutados del interior celular, se dispondrán en forma complementaria a cada cadena para, luego de establecida la unión fosfato entre ellos, dar lugar a dos cadenas hijas idénticas a la progenitora. Así dicho, el proceso parece sencillo pero no lo es. Trataremos de analizarlo paso a paso.

ORGANIZACIÓN DEL ADN EN CELULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

En las células procariotas, la molécula de ADN se encuentra libre en el interior de la célula, en contacto con el resto del citoplasma. Una única molécula de ADN, generalmente de forma circular (es decir que no existen extremos 5’ y 3’ libres) es la encargada de llevar la información.

Por el contrario, en las células eucariotas, el ADN se localiza en el núcleo y no consiste en una molécula única sino en varias (lo que dará lugar a los cromosoas durante la duplicación celular). Dado que la información necesaria para una célula más evolucionada como la eucariota es mucho más compleja, más larga será la molécula correspondiente. Por ejemplo: en una bacteria muy común, como la Escherichia coli, el ADN es circular y está constituido por 4.700.000 pares de bases (longitud total, 1.360 micrones, 1 micrón = 0,000001 metros); por el contrario, en el ser humano, la información se guarda en 23 pares de cromosomas y está constituido por 2.900.000.000 pares de bases (longitud total, 990.000 micrones). Sin embargo, no creamos que el ser humano posee la supremacía en cuanto a cantidad de pares de bases y longitud de ADN, el pez pulmón sudamericano posee 102.000.000.000 pares de pases, con una longitud de 34.700.000 micrones. Sin consideramos estos datos, si el ADN del ser humano se estirase en forma continua, mediría entre 1,6 a 8,32 cm, bastante más que las células de nuestro organismo.

Dado que todas las moléculas de ADN, cada una conteniendo millones de nucleótidos, deben ser contenidas en un volumen muy pequeño como es el núcleo, éstas deben compactarse al máximo.

Para conseguir esto, el ADN se enrolla alrededor de proteínas básicas (que poseen muchos aminoácidos con residuos amino) formando estructuras que se denominan nucleosomas. Esta estructura compleja de ADN y proteínas se llama cromatina. Un nivel de compresión mayor se consigue al superenrollarse el ADN sobre sí mismo. Este tipo de superenrollamiento es similar al que se obtiene al enrollar una bandita elástica sobre sí misma, hasta que una hélice se forma hacia un costado. El término superenrollamiento se utiliza porque el enrollamiento se produce sobre el enrollamiento natural de la hélice de ADN.

DUPLICACIÓN DEL ADN

La duplicación del ADN se dice que es semiconservativa porque, al duplicarse, cada una de las moléculas hijas contiene una cadena de la molécula progenitora. ¿Cómo se produce la duplicación? Es importante hacer nota que éste es un proceso altamente controlado y que depende de la acción coordinada de varias proteínas, muchas de ellas con actividad enzimática.

Veamos paso a paso cómo se duplica la molécula de ADN.

El primer paso consiste en ubicar el sitio de origen para la duplicación. Esto se consigue con proteínas especiales cuya denominación varía según el organismo (por ejemplo: en E. Coli, dnaA, RNAP; virus Herpes, UL9; virus SV40, factor antígeno T, etc.). El origen de la replicación puede ser múltiple, es decir que una molécula comienza a duplicarse en varios puntos (como es el caso de cromosomas eucariotas). La ubicación de alguna de estas proteínas sirve como punto de anclaje al complejo enzimático que tendrá a su cargo la duplicación del ADN, tal como veremos a continuación.

Mencionamos que la molécula de ADN se encuentra superenrollada en la cromatina. El primer paso consiste en distender la molécula tensionada para relajar la estructura. Enzimas especiales, llamadas topoisomerasas (porque cambian la topología de la molécula), se encargarán de cortar una de las cadenas, permitir un poco de relajación y volver a unir para impedir que toda la molécula se desenrolle, como ocurriría si se cortase una cadena sin una ligación posterior. Volvamos al símil de la bandita elástica superenrollada e imaginemos que cortamos una de las cadenas, inmdiatamente el resto de la bandita se desenrollaría hasta quedar en forma lineal.

Una vez distendida una cierta porción de la molécula de ADN, deberá procederse a la separación de las cadenas para permitir su copiado.

Una enzima, llamada helicasa, se interpondrá entre las hebras del ADN, un monómero unido a cada cadena y, a la manera de un cierre relámpago, se moverá hacia un extremo separando las cadenas complementarias (con gasto de ATP). Es esta complementariedad la que presentará un problema adicional porque las cadenas, así separadas, tenderán a reasociarse. Es por esto que unas proteínas con capacidad de unirse a cadenas simples de ADN se asociarán a las hebras recién separadas, impidiendo que se reasocien. Tengamos en cuenta que, a medida que el ADN se va desenrollando aumenta la tensión en la estructura. Es necesario que vuelvan a actuar las topoisomerasas para ir “relajando” las tensiones formadas que, de lo contrario, provocarían la finalización temprana de la duplicación.

Es recién en este momento en que las cadenas de ADN están preparadas para ser copiadas.

Una enzima será la encargada de tomar nucleótidos del entorno, buscando mantener la complementariedad (es decir utilizando la cadena que se va a copiar como un molde o “templado”) y generar una cadena hija mediante la unión de nucleótidos consecutivos.

Pero un nuevo inconveniente surge como resultado de las propiedades de la enzima. Esta proteína se conoce como ADN polimerasa y requiere, para poder copiar, la presencia de un extremo 3’-OH libre. Si las hebras a copiar están separadas, no existe tal extremo sino al final de cada cadena. Una nueva enzima viene al auxilio para generar un trozo pequeño de ácido nucleico, conocido como “iniciador” (“primer” en inglés). Este trozo iniciador posee características especiales. No se trata de ADN sino de otro tipo de ácido nucleico, llamado ribonucleico (ARN). A diferencia del ADN, el azúcar constituyente de los nucleótidos es la ribosa, en lugar de la desoxirribosa y, en lugar de timina, una nueva base, uracilo, toma su lugar apareándose con la adenina.

Es así que esta enzima, llamada primasa, sintetiza una cadena pequeña de ARN, complementaria a la cadena de ADN correspondiente, dando origen a una porción doble cadena de un híbrido ADN-ARN. Esta pequeña porción de ARN provee el extremo 3’-OH requerido por la ADN polimerasa para comenzar a extender la copia. Desde este extremo 3’-OH hacia delante se sintetizará ADN, copia fiel del “templado” o molde (hebra antigua). La ADN polimerasa posee una restricción más: solamente puede copiar elongando en la dirección 5’-3’, es decir que la síntesis prosigue por adición de nucleótidos a extremos 3’-OH libres. Esta restricción presenta un inconveniente para la síntesis de la segunda cadena.

Trataremos de visualizar la situación producida.

En el momento en que ambas hebras se han separado, se ha formado una especie de burbuja delimitada por ambas cadenas a los costados y por los puntos que aún no se han separado, en los extremos. La primasa ha sintetizado el ARN iniciador en forma antiparalela a una de las hebras dejando, de esta manera, un extremo 3’-OH libre. Para la otra cadena, la primasa no pudo copiar otro iniciador exactamente a la misma altura porque, de hacerlo así y, por la necesidad de tener ambas cadenas antiparalelas, no quedaría lugar para extender una de ellas por encontrarse el 3’-OH libre cerca de uno de los extremos. Es por este motivo que, en la otra caena, la primasa sintetizará el iniciador en el otro extremo de la burbuja, sin violar las restricciones de antiparalelismo y dirección de extensión 5’-3’.

La elongación continuará hasta alcanzar los extremos, punto en que será necesario desenrollar la hélice un poco más para que la síntesis continúe.

El proceso se repetirá tal como indicáramos, con la topoisomerasa, helicasa, etc., desenrollando las cadenas como un cierre relámpago, siguiendo la misma dirección.

Una vez expandida la burbuja, la situación con que nos encontramos es la siguiente.

Las cadenas que se han formado se encuentran, ahora, enfrentadas, con la burbuja abriéndose hacia uno de los extremos. Para que la síntesis continúe, una de las cadenas presenta un extremo 3’-OH libre que la ADN polimerasa puede utilizar. La otra cadena, por el contrario, muestra el 3’-OH apuntando hacia uno de los extremos y, por lo tanto, incapacitado para servir como punto de anclaje para la elongación de la cadena correspondiente. Para que esta cadena continúe, es necesario que la primasa sintetice una nueva cadena iniciadora, hacia el extremo opusto de la burbuja. A partir de este punto, se repite el proceso tal como se indicara anteriormente.

El híbrido ADN-ARN que ha quedado en varios puntos será hidrolizado y la ADN polimerasa llenará los huecos que se han formado, para completar la molécula. La ADN polimerasa posee otras dos actividades enzimáticas, además de la principal que es la de polimerasa. Es una exonucleasa, es decir que corta desde los extremos, en dirección 5’-3’ y 3’-5’. Al reconocer el híbrido, lo degrada dejando vacíos que serán llenados por la misma enzima, siguiendo el templado.

Esta forma de replicación hace que una cadena se duplique en forma constante, mientras que la otra parece duplicarse de a poco.

En este proceso de replicación hemos dejado de lado a una enzima que juega un papel muy importante: la ADN ligasa. Una vez que la polimerasa ubica los nucleótidos en el lugar que les corresponde, según la complementariedad de bases, es la ADN ligasa la encargada de producir la unión entre nucleótidos contiguos.

De esta manera, gracias al trabajo coordinado de una variedad de proteínas, muchas de ellas con actividad enzimática, se asegura la copia fiel del ADN, macromolécula donde se encuentra la información genética.

HERENCIA Y GENES

Hasta ahora nos hemos referido al proceso de síntesis de nuevas moléculas de ADN y mencionamos que es en esta macromolécula donde reside el bagaje hereditario que será transmitido de padres a hijos. Pero, aún no hemos definido esta carga hereditaria y cómo se ubica en la molécula de ADN.

En cada molécula de ADN, formada por millones de esas “letras”, que llamamos nucleótidos, debemos tratar de ubicar las palabras y frases que darán lugar a la información a transmitir.

Esta información representa el mensaje para la síntesis de todas las proteínas (estructurales, enzimas, hormonas, etc.) que serán las responsables de construir los distintos elementos que constituyen la célula. Color de ojos, tipo de cabello, sexo, grupo sanguíneo, etc., vienen codificados en el material genético recibido de los padres.

El mensaje para la síntesis de cada una de estas proteínas se encuentra ubicado en zonas del ADN que se denominan genes. En general, un gen posee la información para una proteína o cadena peptídica y, en una misma molécula de ADN, pueden contarse miles de genes, separados entre sí por porciones de ADN sin función aparente.

La diferenciación entre las distintas células no estará dada por el tipo de información que ellas posean sino por la información que ellas expresen. Proviniendo todas las células de un mismo organismo de aquel “huevo”, producto de la fertilización de un óvulo por espermatozoide (en el caso de los animales superiores), resulta que todas las células (a excepción de las sexuales: espermatozoides y óvulos), poseen la misma información genética. Sin embargo, no toda la información se expresa en todas las células. Aquí es donde surgen las diferencias. En teoría, tomando cualquier célula del organismo (a excepción de las sexuales) podríamos, a partir del material genético allí encontrado, duplicar (clonar) el organismo de donde provino, reproduciéndolo en forma exacta.

En un ser humano, todo el material genético se encuentra distribuido en 23 pares de cromosomas (22 somáticos, es decir que llevan información para las características físicas y orgánicas y un par sexual, es decir que lleva la información para la diferenciación sexual del individuo). Estas estructuras que llamamos cromosomas no son más que moléculas de ADN, combinadas con proteínas, como vimos al definir cromatina, que se condensan para adquirir la forma distinguible y clásica en un momento particular de la duplicación celular. El resto del tiempo en el ciclo vital de la célula, se encuentran dispersos en el núcleo sin poder ser individualizados.

Dado que todo el material genético se halla en esas moléculas de ADN, es lógico suponer que el proceso de duplicación será un proceso muy controlado y con varios mecanismos correctores en caso de ocurrir un error.

El proceso de transferencia de información desde el ADN hasta la proteína madura, será motivo de otra monografía, pero terminar la explicación del mecanismo en este punto sería equivalente a quedarnos con las letras sin saber cómo formar las palabras y las frases. Veamos brevemente cómo finaliza la comunicación del mensaje.

Si recordamos la estructura de la molécula de ADN y la de una proteína, podemos observar de inmediato que ambas son muy diferentes. Mientras que el ADN está constituido por nucleótidos, la proteína está formada por aminoácidos. A simple vista es semejante a que deseen comunicarse un español y un japonés; será imposible a menos que ambos sepan los dos idiomas o que exista un intérprete. En el mecanismo de transferencia de información genética existe un intérprete.

Como el ADN posee toda la información, para sintetizar una sola proteína necesitamos tomar del conjunto solamente aquella información que corresponda a esta proteína. Esto se consigue copiando (transcribiendo) el gen correspondiente a otra molécula de ácido nucleico, el ácido ribonucleico o ARN. En el caso de una célula eucariótica, este ARN (llamado mensajero) saldrá del núcleo y se dirigirá al citoplasma, más específicamente hacia los ribosomas. Es en los ribosomas donde se encuentra el lugar físico para la síntesis de una proteína. Pero esta molécula de ARN mensajero sigue siendo ácido nucleico. ¿Cómo traducimos esta información en una frase proteica?

La molécula de ARN posee la información codificada de la manera siguiente: a partir de un punto inicial, cada secuencia de tres nucleótidos representa una palabra (aminoácido) y es la sucesión de estas secuencias (tripletes) lo que indica la información total (frase = proteína). La molécula “traductora” consiste en una molécula de ARN especial (ARN de transferencia) que lleva en uno de sus extremos, el aminoácido correspondiente al triplete en cuestión. El reconocimiento de este triplete se realiza, tal como vimos antes, por complementariedad de bases. Será el agregado de los aminoácidos, uno a continuación del otro, según la información contenida en los tripletes (codones) lo que determine la secuencia de la proteína. A esta molécula de ARN de transferencia se la llama molécula traductora porque, de la misma manera que ocurre con un traductor de idiomas, conoce ambos idiomas: el de ácido nucleico y el proteico. El agregado secuencial de aminoácidos es específico, de lo contrario la frase resultante no tendría sentido. El conjunto de todas las proteínas sintetizadas en una célula será equivalente al libro, conversación o “herencia genética”.