Qué es el ADN: el plano de la vida

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El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una molécula larga que contiene el código genético hereditario necesario para construir y mantener un organismo. Las secuencias de ADN (las instrucciones dentro del código) se convierten en mensajes moleculares que pueden usarse para producir proteínas. La molécula de ADN es fácilmente reconocible debido a su forma de doble hélice, que consta de dos hebras que se enrollan una alrededor de la otra.

¿Alguna vez te has preguntado cómo construir un ser humano? Como un libro de cocina, el ADN contiene todas las instrucciones necesarias para ensamblar un nuevo organismo. Aunque hay más de un billón de células que componen el cuerpo humano, con diversos grados de complejidad, desde neuronas hasta células inmunitarias, casi todas estas células contienen los mismos 3 mil millones de pares de bases de ADN que componen el genoma humano.

Cada especie tiene una secuencia de ADN única, y cada individuo también tiene un ADN ligeramente diferente del resto de la población (siempre y cuando no sean clones que se reproduzcan asexualmente).

¿De qué está hecho el ADN?

Cada una de las dos hebras de ADN tiene una columna vertebral formada por grupos alternantes de azúcar (desoxirribosa) y fosfato. Unido a cada azúcar hay uno de los cuatro tipos de bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C). Estas tres partes juntas, un grupo fosfato, un grupo azúcar y una base nitrogenada, se conocen como nucleótidos.

La doble hélice del ADN se puede representar como una especie de escalera química donde los lados de la escalera son hilos de grupos alternantes de azúcar y fosfato, mientras que los peldaños están formados por dos bases nitrogenadas, unidas por enlaces de hidrógeno.

La base A siempre se empareja con la base T, y de la misma manera C con G. Juntas, estas unidades se llaman pares de bases.

La secuencia de bases nitrogenadas importa mucho. Puede significar la diferencia entre ojos azules o marrones, altos o bajos, sanos o aquejados de una enfermedad hereditaria.

En general, las instrucciones completas para un ser humano contienen tres mil millones de bases y alrededor de 20 000 genes que se encuentran en 23 pares de cromosomas, todos envueltos dentro de una sola molécula de solo seis micrones de ancho ubicada dentro del núcleo de prácticamente todas las células del cuerpo.

Además, una pequeña cantidad de ADN está presente en las mitocondrias, las estructuras dentro de las células que son responsables de convertir la energía de los alimentos en una forma que la célula pueda usar, lo que se denomina ADN mitocondrial (ADNmt). En conjunto, la suma de todas las secuencias de ADN y ADNmt en la célula se conoce como genoma.

Si desenrollaras y estiraras el ADN de una célula por completo, tendría unos dos metros de largo. Pero lo que es realmente alucinante es que todo el ADN en todas sus células juntas se extendería a una distancia de aproximadamente el doble del diámetro del sistema solar.

¿Qué hace el ADN?

Las secuencias de ADN se utilizan para fabricar proteínas en un proceso de dos pasos. Las enzimas primero leen las instrucciones en las moléculas de ADN para transcribirlas en una molécula intermediaria llamada ácido ribonucleico mensajero (ARNm). Las vacunas de Pfizers y Modernas se basan en ARNm, si eso le suena familiar.

Luego, las secuencias en las moléculas de ARNm se traducen en instrucciones que los ribosomas, las pequeñas estructuras celulares responsables de producir proteínas, pueden comprender. La maquinaria de producción de proteínas sigue estas instrucciones al pie de la letra para vincular aminoácidos específicos (bloques de construcción de proteínas) en el orden preciso requerido para producir una proteína específica. Los aminoácidos involucrados y la forma en que se unen para formar la proteína son los que le permiten llevar a cabo sus tareas muy específicas.

Cuando una célula se divide, también lo hace el ADN. Cada hebra de ADN en la doble hélice puede servir como patrón para duplicar la secuencia de bases, de modo que pueda replicarse y hacer copias exactas de sí mismo en la nueva célula. Este proceso de copia no siempre es perfecto. A veces hay una alteración en la secuencia de nucleótidos del genoma, llamada mutación.

Cada secuencia de ADN que contiene las instrucciones para la producción de una determinada proteína se conoce como gen. Dependiendo de cuán complejas sean estas instrucciones, el tamaño de un gen puede variar desde 1000 bases hasta un millón de bases en humanos.

Después de que se completó el Proyecto del Genoma Humano en 2003, los científicos descubrieron que había alrededor de 20,000 genes dentro del genoma, un número que algunos investigadores ya habían predicho.

Pero a pesar de su fama, los genes solo constituyen el 1% del genoma. El otro 99% son instrucciones que regulan cuándo y cómo se fabrican estas proteínas. Los científicos llaman a esto ADN no codificante porque estas secuencias no codifican proteínas.

A primera vista, el pequeño número de genes en relación con el genoma completo puede parecer extraño. Pero tiene sentido si se tiene en cuenta que cada uno de los más de 200 tipos de células del cuerpo humano interpreta un conjunto de instrucciones idénticas (el genoma) de manera muy diferente para realizar funciones igualmente diferentes.

Además, un genoma grande no significa mucho. Las plantas del género Allium , que incluye cebollas y ajos, tienen tamaños de genoma que oscilan entre 10 y 20 mil millones de pares de bases, mientras que el genoma humano tiene solo 3 mil millones de pares de bases. Obviamente, un humano es mucho más complejo que una cebolla. Esto sugiere que tal vez gran parte del genoma no sea realmente útil y el tamaño de un genoma no dice nada sobre cuán complejo es el organismo.

¿Cómo sabemos sobre el ADN?

Desde la antigüedad, la gente era al menos algo consciente de que había algún factor hereditario que se transmitía de padres a hijos. Pero no fue hasta que Gregor Mendel, un monje del siglo XIX, expuso las leyes fundamentales de la herencia que este proceso se desentrañó científicamente.

Mendel fue el primero en demostrar usando sus ahora famosos experimentos con plantas de guisantes que factores invisibles ahora conocidos como genes determinaban de manera predecible los rasgos de un organismo. También acuñó muchos de los conceptos y términos utilizados en el campo hasta el día de hoy, como recesivo y dominante.

El ADN se conocía realmente durante la época de Mendel. La molécula fue descubierta por primera vez por el bioquímico suizo Frederich Miescher a fines del siglo XIX dentro de los núcleos de los glóbulos blancos humanos, pero nadie sospechaba que tenía un papel central en la biología.

A principios de 1900, el bioquímico ruso Phoebus Levene, autor de más de 700 artículos sobre la química de las moléculas biológicas, hizo contribuciones fenomenales al desciframiento del ADN. Fue el primero en descubrir el orden de los tres componentes principales de un solo nucleótido (fosfato-azúcar-base), el componente carbohidrato del ARN (ribosa) y el componente carbohidrato del ADN (desoxirribosa), así como el primero en identificar correctamente la forma en que se juntan las moléculas de ARN y ADN.

El trabajo de Levenes fue ampliado por Erwin Chargaff, un bioquímico austriaco, quien hizo descubrimientos adicionales en torno al ADN. Hizo dos contribuciones importantes. En primer lugar, señaló que la composición de nucleótidos del ADN varía entre las especies. En segundo lugar, descubrió que en casi todo el ADN, independientemente del organismo o tejido del que provenga, la cantidad de adenina (A) suele ser similar a la cantidad de timina (T), y la cantidad de guanina (G) suele aproximarse a la cantidad de citosina (C) esto ahora se conoce como regla de Chargaff.

Estructura tridimensional del ADN. Crédito: Wikimedia Commons.

Estos descubrimientos allanaron el camino para el descubrimiento de la doble hélice del ADN. En 1953, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins y Rosalind Franklin realizaron difracción de rayos X y construyeron modelos que mostraban la estructura tridimensional de doble hélice del ADN.

Watson y Crick utilizaron recortes de cartón que representaban los componentes químicos individuales de las cuatro bases y otras subunidades de nucleótidos. Los dos científicos cambiaron las moléculas innumerables veces, como si estuvieran armando un rompecabezas. Sin embargo, las piezas del rompecabezas nunca parecían encajar hasta que el científico estadounidense Jerry Donohue sugirió que hicieran nuevos recortes de cartón para la timina y la guanina. Las diferentes configuraciones atómicas marcaron la diferencia y las dos bases complementarias finalmente encajaron perfectamente. Además, la estructura también reflejaba la regla de Chargaff.

Desde entonces, el modelo de Watson y Crick ha sufrido correcciones menores, pero sus cuatro características principales siguen siendo las mismas hasta el día de hoy. Estos son:

• El ADN es una hélice de doble cadena, con las dos cadenas conectadas por enlaces de hidrógeno. Las bases A siempre se emparejan con Ts, y Cs siempre se emparejan con Gs, lo cual es consistente con la regla de Chargaffs y la explica.
• La mayoría de las dobles hélices del ADN son dextrógiras, lo que significa que el esqueleto de azúcar-fosfato se enrosca alrededor del eje de la hélice en sentido contrario a las agujas del reloj.
• La doble hélice del ADN es antiparalela, lo que se refiere al hecho de que la cabeza de una hebra siempre se apoya contra la cola de la otra hebra de ADN.
• Los pares de bases de ADN no solo están conectados a través de enlaces de hidrógeno, sino que los bordes exteriores de las bases que contienen nitrógeno también están expuestos y disponibles para posibles enlaces de hidrógeno. Estos enlaces de hidrógeno brindan fácil acceso al ADN para otras moléculas, incluidas las proteínas que desempeñan funciones vitales en la replicación y expresión del ADN.

Más recientemente, los científicos han descubierto que las geometrías y dimensiones precisas de la doble hélice pueden variar. La configuración más común es la descrita por Watson y Crick, conocida como B-DNA. Pero también existe el ADN-A, una forma más corta y más ancha que se encuentra generalmente en muestras deshidratadas de ADN y rara vez se encuentra en condiciones normales. Por último, está el Z-DNA, que es una conformación levógira y es una forma transitoria de ADN que aparece solo durante ciertos tipos de actividad biológica.

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