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Modelo de doble hélice: ADN y genética aplicada

Rosa M. Infanzón y Stefan M. Waliszewski1

Hace 52 años, el bioquímico estadounidense James Watson y el biólogo inglés Francis Crick publicaron en la revista Nature un artículo intitulado "Molecular structure of nucleic acids. A structure of deoxyribose nucleicacid", que daba cuenta de los resultados de sus estudios sobre la clave de los grandes misterios de la vida: el secreto de la herencia biológica, para lo que proponían el modelo de la doble hélice del ácido desoxirribonucleico, o ADN. El modelo propuesto alcanzó gran importancia en la comprensión de la síntesis proteica, la replicación del ADN y las mutaciones. En ese año, los mismos autores publicaron otro artículo en la mencionada revista: "Genetical implications of the structure of deoxyribonucleicacid", en el cual describieron las implicaciones biológicas de su descubrimiento. Entre ellas, resaltan que el ADN está compuesto de dos cadenas complementarias, una de las cuales actúa como patrón para duplicar a la otra, y que la secuencia de las bases adenina (abreviada como A), guanina (G), timina (T) y citosina (C) representa un código de información genética. En el artículo sobre las implicaciones de la estructura del ADN discuten la importancia de este modelo. Lo más importante es que la mutación espontánea puede ser originada por la introducción a la cadena de bases con formas tautoméricas (isómeros que existen en equilibrio); además, que la mutación se debe al apareamiento anormal de los cromosomas durante la meiosis, que es la división de las células sexuales que produce núcleos con la mitad del número de cromosomas.

Cada molécula de ADN está constituida por dos cadenas o bandas formadas por un elevado número de compuestos químicos llamados nucleótidos. Esas cadenas forman una especie de escalera retorcida que se llama doble hélice. Cada nucleótido está formado por tres unidades: una molécula de azúcar llamada desoxirribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles compuestos nitrogenados llamados bases: las mencionadas A, G, T y C. La molécula de desoxirribosa ocupa el centro del nucleótido y está flanqueada por un grupo fosfato de un lado y una base por el otro. El grupo fosfato está a su vez unido a la desoxirribosa del nucleótido adyacente de la cadena. Estas subunidades enlazadas desoxirribosa-fosfato forman los lados de la escalera; las bases están enfrentadas por parejas, "mirando", por decirlo así, hacia el interior y forman los travesaños. Los nucleótidos de cada una de las dos cadenas que forman el ADN establecen una asociación específica con los correspondientes de la otra cadena. Debido a la afinidad química entre las bases, los nucleótidos que contienen adenina se acoplan siempre con los que contienen timina, y los que contienen citosina con los que contienen guanina. Las bases complementarias se unen entre sí por enlaces químicos débiles llamados enlaces de hidrógeno
En el año 1955, David P. Jordan, en el libro The nucleic acids. Chemistry and biology, indica que las características moleculares del ADN -denominado también ácido deoxipentosa- se conocían ya en 1938, pero que no fue sino hasta 1953 que se logró precisar su estructura esférica. Al comentar el modelo de la triple hélice propuesto por Pauling y Corey en 1953, señala que esta idea fue la contribución básica para la identificación helicoidal del ácido desoxirribonucleico. No obstante, la aportación de Watson y Crick contiene varias novedades y recopila datos de estudios experimentales realizados en varios laboratorios.
En 1959, James Arthur Peters, en su libro Classic papers in genetics, indica que los descubrimientos de Watson y Crack, al ser clásicos, se convirtieron en un impulso para todos los genetistas al estudiar la información codificada en la estructura química del ADN. El modelo propuesto de la doble hélice se difundió muy ampliamente en la literatura científica, incluidos los cursos de enseñanza de la biología.
El ADN incorpora las instrucciones para la producción de proteínas. Una proteína es un compuesto formado por moléculas pequeñas llamadas aminoácidos, que definen su estructura y función. La secuencia de los aminoácidos está a su vez determinada por la secuencia de bases de los nucleótidos del ADN. Cada secuencia de tres bases, llamada triplete, constituye una palabra del código genético, o codón, que especifica un aminoácido determinado. Así, el triplete GAC (guanina, adenina, citosina) es el codón correspondiente al aminoácido leucina, mientras que el CAG (citosina, adenina, guanina) corresponde al aminoácido valina. Por lo tanto, una proteína formada por cien aminoácidos queda codificada por un segmento de trescientos nucleótidos de ADN. De las dos cadenas de polinucleótidos que forman una molécula de ADN, sólo una, llamada paralela, contiene la información necesaria para producir una secuencia de aminoácidos determinada. La otra, llamada antiparalela, ayuda a la replicación.
En casi todos los organismos celulares, la replicación de las moléculas de ADN tiene lugar en el núcleo, justo antes de la división celular. Empieza con la separación de las dos cadenas de polinucleótidos, cada una de las cuales actúa a continuación como plantilla para el montaje de una nueva cadena complementaria. A medida que la cadena original se abre, cada uno de los nucleótidos de las dos cadenas resultantes atrae a otro nucleótido complementario previamente formado por la célula. Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces de hidrógeno para formar los travesaños de una nueva molécula de ADN. Conforme los nucleótidos complementarios van encajando en su lugar, una enzima llamada ADN polimerasa los une enlazando el grupo fosfato de uno con la molécula de azúcar del siguiente, para así construir la hebra lateral de la nueva molécula de ADN. Este proceso continúa hasta que se forma una nueva cadena de polinucleótidos a lo largo de la anterior. Así se reconstruye una nueva molécula con estructura de doble hélice.
En la célula humana, la escala completa de ADN tiene aproximadamente un metro de longitud y puede llegar a poseer hasta 6 mil millones de peldaños. Un solo gen humano, que proporciona la información necesaria para producir una entre miles de proteínas, podría tener la longitud de una escalera de 2 mil peldaños.
Al reproducirse la célula, la escala de ADN se separa por el centro como se abre una cremallera. Cada pareja de bases se divide y las mitades obtienen nuevos compañeros, procedentes de las moléculas que flotan en el núcleo celular. Todas las del grupo adenina se unen a nuevas unidades del grupo timina, e igual sucede con todas las que integran la clase guanina, que se enlazan con las nuevas citosinas, hasta formar dos réplicas exactas del original. De esta forma, la célula se divide en dos con moléculas de ADN idénticas.
La ciencia ha logrado descifrar unas cuantas páginas del lenguaje en que las moléculas, células y tejidos se comunican. Uno de los resultados es que la distinción tradicional entre materia viva y materia muerta se ha vuelta imprecisa. Otro resultado es la convicción de que los capítulos, los volúmenes e incluso las bibliotecas que han sido escritas en dicho lenguaje, todavía están en espera de ser leídos. En sus páginas pueden hallarse las respuestas a las más urgentes interrogantes de la ciencia, que se relacionan con las causas de muchas enfermedades.

 

1 Instituto de Medicina Forense de la Universidad Veracruzana, S.S. Juan Pablo II s/n, Boca del Río, Ver., correo electrónico: rinfanzon@uv.mx.