Biotecnología  El ADN como soporte de la información genética.

El ADN como soporte de la información genética.

El descubrimiento, en 1953, de la estructura de la molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico) por James Watson y Francis Crick dio origen a la biotecnología moderna, tal como la conocemos actualmente. Por estudios anteriores al descubrimiento de Watson y Crick ya se sabía que el ADN almacena la información genética (la herencia) en todos los seres vivos. También se sabía que este ADN estaba formado por la combinación de unas moléculas más pequeñas llamadas nucleótidos. Los nucleótidos a su vez constan de un azúcar (la desoxirribosa), un fosfato y una de las cuatro bases siguientes: la adenina, guanina, citosina y timina o abreviadamente A, G, C, T. Igualmente era conocido que, aunque la proporción de estos nucleótidos era distinta en cada molécula de ADN, siempre el número de Aes era igual al de Tes y el número de Ces era igual al de Ges.

Watson y Crick , utilizando estos y otros datos, descubrieron que la molécula de ADN está formada por dos largos filamentos (siendo cada uno de ellos una cadena de nucleótidos) que se enrollan entre sí dando lugar a una doble hélice parecida a una escalera de caracol. La parte lateral o "barandilla" de la escalera está formada por azúcares (desoxirribosa) y fosfatos y los peldaños son pares de bases. En esta estructura siempre la adenina se empareja con la timina (A-T, T-A) y la citosina se empareja con la guanina (C-G, G-C) y sólo se permiten estos emparejamientos. El tipo de nucleótidos y el orden -denominado secuencia- en que se disponen estas moléculas es la manera cómo se escribe la información genética, utilizando una especie de alfabeto de 4 letras.

La molécula de ADN tiene la capacidad de desdoblarse pudiendo servir como molde para dar lugar a otra molécula idéntica, y así es como pasa la información genética de padres a hijos. La clave de como esto ocurre reside en la complementariedad de las bases que hace que la adenina se empareje sólo con la timina y la citosina sólo con la guanina. En general, una célula tiene una maquinaria muy sofisticada que permite hacer copias muy precisas de la molécula de ADN, incluso existen diversos sistemas de reparación. No obstante, en ocasiones se producen fallos. Cuando esto ocurre se dice que ha tenido lugar una mutación (es decir, un error genético) y si es suficientemente importante puede llegar a cambiar la información que llevaba la molécula de ADN.

Los cromosomas y los genes
Si todo el ADN contenido en el núcleo de las células humanas se hallase estirado llegaría a medir hasta 1,8 metros, es decir, unas 300.000 veces más que el diámetro del núcleo. Para evitar este problema el ADN está altamente plegado formando unas estructuras denominadas cromosomas. El genoma humano está constituido por 23 pares de cromosomas. Cada cromosoma es una única molécula de ADN que a su vez está formado por millares de nucleótidos. Si se escribiera en el alfabeto de 4 letras toda la información genética que contiene una célula humana llenaría un libro con más de 500.000 páginas. Por lo tanto, las tres características que permiten a la molécula de ADN ser la depositaria de la información genética de un organismo son: que la molécula de ADN contiene información basada en el orden y composición de los nucleótidos que la forman; que es capaz de pasar esta información de generación en generación gracias a que cada cadena puede servir como molde para fabricar su complementaria; y que es flexible, lo que permite que pueda almacenarse toda la información que requiere un ser vivo para ser como es y realizar sus funciones en un espacio tan pequeño como el interior de las células.

Es preciso que la célula copie la información contenida en el ADN a una molécula que actúa como mensajero ya que es capaz de viajar del núcleo al citoplasma. Esta molécula recibe el nombre de ARN mensajero (ARNm). El proceso de fabricar una molécula de ARNm siguiendo las instrucciones de una molécula de ADN se denomina transcripción. El ARN, como el ADN, está formado también por la repetición de 4 nucleótidos, los mismos que forman el ADN excepto que en lugar de la base timina (T) el ARN tiene uracilo (U). La molécula de ARN es una única cadena -en lugar de dos como el ADN- y contiene el azúcar ribosa en lugar de la desoxirribosa que forma el ADN. Estas características hacen la molécula de ARN más frágil que la molécula de ADN. El ARNm sale del núcleo y es leído en los ribosomas donde se fabrica la proteína que la célula quería obtener. El proceso de fabricar una proteína siguiendo las instrucciones almacenadas en el ARNm se llama traducción ya que se pasa de un lenguaje de 4 letras (los 4 nucleótidos) en que están "escritos" el ADN y el ARN al lenguaje de 20 letras (los 20 aminoácidos) en que están "escritas" las proteínas. El dogma central de la biología dice que en los procesos celulares el flujo de información va de ADN a ARN y de ahí a proteínas. No obstante, este dogma tiene sus excepciones en los retrovirus. Este tipo de virus se caracteriza porque su información genética no está almacenada en una molécula de ADN sino en una molécula de ARN y para que estos virus puedan multiplicarse es necesario que su información genética pase de ARN a ADN. Para ello necesitan una enzima especial, la transcriptasa inversa. Uno de los retrovirus más conocidos es el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) que causa el SIDA. El proceso de fabricación de una proteína puede no finalizar con la formación de la cadena de aminoácidos y el plegamiento de la proteína en el espacio, sino que algunas proteínas se someten además a otras modificaciones como la glicosilación, consistente en la adición de azúcares.

10. El código genético

En los primeros años de la década de los 60, se descifró el código genético, es decir, la clave que permitía pasar la información del ADN al ARN y luego a las proteínas. La clave es la siguiente, cada grupo de tres nucleótidos adyacentes codifican a un aminoácido, estos tripletes de nucleótidos reciben el nombre de codón. Siguiendo con la analogía del lenguaje, puede decirse que la información genética se escribe en palabras de tres letras consecutivas que no están separadas por signos de puntuación. Los 4 nucleótidos que forman el ADN o el ARN si se leen de tres en tres (triplete o codón) pueden especificar hasta 4³=64 aminoácidos distintos y en cambio en las proteínas sólo se encuentran 20 aminoácidos diferentes. Cuando se descifró el código genético se descubrió que varios tripletes pueden especificar un mismo aminoácido y que algunos tripletes no representan ningún aminoácido (UAG, UAA, UGA). Estos últimos tripletes que no representan ningún aminoácido se llaman tripletes sin sentido o de "terminación" (codón stop) y actúan como señales para indicar que se ha llegado al final de la síntesis de la cadena de proteína. Otro triplete interesante es el AUG que lleva la información para el aminoácido metionina. Este triplete se caracteriza por poder ser también una señal de inicio de la síntesis de la proteína, de manera que todas las proteínas cuando se fabrican tienen como aminoácido inicial una metionina. Dicha metionina muy a menudo se pierde durante el proceso de fabricación de la proteína.

Phe=fenilalanina; Leu= leucina; Ser= serina; Tyr= tirosina; Cys= cisteína; Trp= triptófano; Pro= prolina; His= histidina; Gln= glutamina; Arg= arginina; Ile= isoleucina; Met= metionina; Thr= treonina; Asn= asparagina; Lys= lisina; Val= valina; Ala= alanina; Asp= ácido aspártico; Glu= ácido glutámico; Gly= glicina

El código genético se caracteriza por ser universal, es decir, la equivalencia entre tripletes de nucleótidos y aminoácidos la usan todos los organismos conocidos desde las bacterias a los mamíferos, entre ellos, el hombre. La universalidad del código genético permite, por ejemplo, que si se introduce un gen humano en una bacteria ésta pueda interpretar la información almacenada en dicho gen fabricando la misma proteína que fabricaría una célula humana. Es esta unidad bioquímica de los seres vivos lo que ha facilitado el desarrollo de la moderna biotecnología, que utiliza ciertos microorganismos como si fueran minifactorías para replicar los ácidos nucleicos que nos interesen e incluso que produzcan proteínas humanas.