lunes, 1 de marzo de 2010

El ADN, molécula portadora de la información hereditaria

Los organismos vivos somos sistemas extremadamente complejos, formados por un elevado número de elementos interrelacionados que deben mantener sus características a lo largo del tiempo, de una generación a otra. Esto supone que debe existir algún mecanismo para que cada elemento de los organismos se elabore de acuerdo a un "plan", a un modelo de organización establecido, y que ese modelo pueda ser transmitido de una célula a sus descendientes. Esta necesidad de los seres vivos nos acerca a la noción de información genética.

La información, cualquier tipo de información, es un conjunto organizado de datos que pueden ser utilizados en algún proceso. En el caso de los seres vivos, los datos se refieren, fundamentalmente, a cómo son las moléculas (en particular las proteínas y el ARN) que la célula necesita producir y a cuándo deben ser elaboradas. La información necesita siempre una memoria, es decir, un sistema físico en el que pueda registrarse, almacenarse y que permita su lectura. En los seres vivos, que somos máquinas químicas, el soporte de la información es un tipo de molécula, concretamente un ácido nucleico. La información que almacenan los organismos recibe el nombre de información genética.

Los sistemas de almacenamiento de información deben cumplir ciertos requisitos, cualquiera que sea su naturaleza:
  • Tienen que permitir que la información sea "leída", es decir, que algún tipo de dispositivo permita aprovechar los datos contenidos en la memoria para realizar el proceso correspondiente. En el caso de los seres vivos, el proceso que permite que la información sea utilizada por el organismo se denomina expresión de la información genética. Dicho de otra forma, cuando una célula utiliza una parte de su información para elaborar, por ejemplo, una proteína, decimos que la célula está expresando su información genética.
  • Es necesario, también, que la información pueda ser transferida, es decir, que pueda pasar de un soporte físico a otro soporte físico similar, con lo que puede pasar de una célula a otra. En los organismos vivos, el proceso que permite la copia de la información genética se denomina replicación.
Para que la información pueda ser leída y reproducida debe estar "codificada", es decir, debe poder recogerse en un "lenguaje" formado por signos diferentes, de forma que los diferentes datos que constituyen la información estén almacenados como distintos elementos ("signos") o combinaciones de signos. En los organismos, el código que permite almacenar la información es el código genético. Si un "dato" es la secuencia de aminoácidos de una proteína concreta, la información necesaria para reconstruir ese dato sería la secuencia de nucleótidos del ácido nucleico correspondiente.

La base biológica de la información genética

Aunque en la actualidad sabemos que los ácidos nucleicos son los portadores de la información genética, este es un conocimiento relativamente reciente. Mucho antes de identificar la molécula que almacena la información se conocían, sin embargo, los requisitos que debía cumplir una molécula para poder desempeñar esa función:
  • Estar formada por elementos distintos, porque la diferencia entre unos datos y otros se debe a cambios en la secuencia de sus unidades. Esta característica es común a todos los "lenguajes", que se usan para almacenar y transmitir información.
  • Incluir, en su propia estructura, los elementos necesarios para reproducir la información que contiene.
  • Ser capaz de almacenar la gran cantidad de información que necesitan utilizar los seres vivos, aun los más sencillos.
Estas tres características orientaron enseguida la búsqueda de la molécula portadora de la información genética hacia una dirección muy concreta: era necesario identificar una molécula de gran tamaño, relativamente abundante en la célula (porque necesitaba contener gran cantidad de información) y formada por elementos diferentes. Además, debía estar presente en todos los seres vivos. Los tipos de sustancias que cumplían estos criterios son muy reducidos: proteínas y ácidos nucleicos.

Se diseñaron varios experimentos diferentes para determinar cuál de las moléculas era la responsable de la acumulación y transmisión de la información genética, siendo el de Hershey y Chase uno de los más definitivos y claros.

Estos investigadores utilizaron bacteriófagos, es decir, virus que infectan bacterias. A pesar de que los virus no son seres vivos, cumplen con el criterio básico para poder utilizarlos en este tipo de investigación, ya que poseen información genética que puede ser leída (aunque no por ellos, sino por el organismo al que infectan) y que se replica, pasando de una generación a otra. A esto hay que añadir, además, la ventaja de su sencillez: un virus bacteriano está formado exclusivamente por ácidos nucleicos y proteínas, por lo que una de las dos sustancias debe ser, necesariamente, la responsable de la información genética.

Hershey y Chase utilizaron para su experimento una diferencia de composición entre proteínas y ácidos nucleicos: mientras que prácticamente todas las proteínas contienen azufre (en la metionina y sobre todo en la cisteína, que resulta esencial en el establecimiento de su estructura), este elemento está ausente en los ácidos nucleicos. Por el contrario, los ácidos nucleicos contienen fósforo, que nunca está presente en las proteínas. Aprovechando esta circunstancia, incubaron una cepa de bacterias en presencia de fósforo radiactivo y otra en un medio con azufre radiactivo. Luego infectaron ambas cepas con fagos, de modo que éstos incluyeron en su composición los respectivos marcadores radiactivos.

El siguiente paso en el experimiento fue infectar nuevas bacterias con los fagos marcados radiactivamente y comprobar dónde se localizaba la radiactividad tras la infección.



Los fagos marcados en sus proteínas (con azufre radiactivo) no marcaban radiactivamente las bacterias, sino que se perdían al agitar, mientras que los marcados con fósforo, en su ADN, hacían que las bacterias presentaran actividad radiactiva, demostrando que era el ADN el responsable de la infección y, por tanto, de la transmisión de la información genética.

El descubrimiento de la estructura del ADN por parte de Watson y Crick aportó, finalmente, un posible mecanismo para la reproducción de la información genética. Según el modelo de Watson y Crick, la molécula de ADN está formada por dos hebras complementarias entre sí, de acuerdo con el principio de Chargaff, lo que significa que, sabiendo qué nucleótido se encuentra en una posición dada en una de las hebras, se sabe inmediatamente cual está en la otra hebra (Adenina frente a Timina, Citosina frente a Guanina). Sabiendo esto, resulta fácil imaginar un mecanismo para replicar la información, ya que cada hebra sirve de molde para su complementaria: si se separan ambas cadenas, bastaría con situar el nucleótido complementario frente a cada uno de los de la cadena molde.

El flujo de la información genética

El modelo de Watson y Crick proporcionó también una hipótesis acerca del "camino" que sigue la información genética desde el ADN hasta que se plasma en la estructura de otras macromoléculas, las proteínas. El conjunto de procesos que permiten "expresar" la información genética recibió, en su momento, el nombre de dogma central de la biología molecular e incluye los siguientes elementos:
  • La información genética está almacenada, en todos los seres vivos, en el ADN. Esta molécula actúa como una "copia de seguridad" o de respaldo a partir de la cual se van a poder producir las proteínas y como sistema para transferir la información a las células hijas, lo que supone que esta sustancia pueda sufrir dos tipos de procesos:
    • Replicación: es el proceso mediante el cual una molécula de ADN da lugar a otra igual a sí misma, lo cual supone la copia de las dos cadenas que la forman.
    • Transcripción: mediante este proceso una de las hebras de la cadena de ADN da lugar a una molécula de ARN complementaria de sí misma.
  • El ARN desempeña varios papeles en la célula; el ARN ribosómico y el transferente realizan directamente las funciones que les corresponde, por lo que la expresión de la información genética en este caso termina con la transcripción. El ARN mensajero, por su parte, es la "copia de trabajo" a partir de la cual se van a producir directamente las proteínas. El proceso mediante el cual ocurre la producción de proteínas celulares se denomina traducción, y supone la participación de todos los tipos de ARN presentes en la célula.

    Estos son los procesos fundamentales de expresión de la información genética, y ocurren en todos los organismos. Sin embargo, algunos virus que solo presentan ARN como material genético incluyen en su "ciclo vital" otros procesos de transmisión de información genética que, aunque son muy poco importantes desde el punto de vista cuantitativo, tienen gran interés tanto teórico como aplicado.
    • Algunos de estos virus son capaces de hacer una copia de su material genético, dando lugar a otras moléculas de ARN. Este proceso recibe el nombre de replicación del ARN.
    • Otros virus ARN, por su parte, tienen la capacidad de copiar la información genética que portan dando lugar a una molécula de ADN que se integra (se introduce) en el genoma de su hospedador. Este proceso, único en la naturaleza, recibe el nombre de transcripción inversa o retrotranscripción, y tiene mucho interés desde el punto de vista de la Biotecnología. Un ejemplo de este tipo de virus es el responsable del SIDA.