El "mecano" de la vida. Estructura del ADN

Jardines de la Villa Adriana

Las siglas ADN se han introducido con fuerza en el habla popular. Frases como “cuestión de ADN” o “lo lleva en el ADN” o también el epíteto “el genoma” las utilizamos cuando nos referimos a las características de alguien (o incluso de algo). Así, con esta muletilla, podemos explicar la delgadez de aquella vecina, la forma de juego del Barça, la tozudez de nuestro hijo o el modo de vida mediterráneo.

En los próximos años (a mi entender diez o quince) los trabajos que se realizan en investigación genética, entre ellos la secuenciación del genoma humano, llevarán a una mejor comprensión en las formas de enfermar y abrirán nuevas expectativas en salud mental.

Imagen idealizada de la estructura del ADN

El ADN es un ácido nucleico que contiene instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y también de algunos virus. El papel principal de la molécula de ADN es el almacenamiento a largo plazo de información y es el responsable de su transmisión hereditaria.

Un ácido nucleico es un polímero (los polímeros son macromoléculas o moléculas grandes formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros).

Hay dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN y el ARN. La estructura de ambos es similar, ya que se trata de la repetición de monómeros hasta formar el polímero correspondiente (como si fuera un largo tren formado por vagones). Estos “vagones”, monómeros o unidades básicas en el caso de los ácidos nucleicos reciben el nombre de nucleótidos.

Los ácidos nucleicos son como un largo tren formados por un gran número de vagones

Los NUCLEÓTIDOS del ADN a su vez están compuestos de tres partes:

-    1 molécula de un azúcar o glúcido. En el caso del ADN es un monosacárido de cinco átomos de carbono (es decir una pentosa, que se denomina desoxirribosa). Su fórmula química es C₅H₁₀O₄.

Estructura química de la desoxiribosa

 -    1 grupo fosfato,  cuya fórmula química es H₃PO₄, que actúa como enganche de cada vagón al siguiente, a través de un enlace químico llamado fosfodiester.

En círculos los grupos fosfatos formando un enlace fosfodiester

-   1 base nitrogenada (compuestos orgánicos cíclicos que incluyen dos o más átomos de nitrógeno):

*  Para el ADN, sólo hay cuatro tipos de bases nitrogenadas posibles:

·      Bases purínicas: Adenina  (A) y Guanina (G)

·      Bases pirimidínicas: Timina  (T) y Citosina (C).

Una base nitrogenada, en este caso la ADENINA

Lo que distingue a un nucleótido de otro es el tipo de base nitrogenada que lleva, por eso, las secuencias de ADN se especifican nombrando sólo -en orden- la inicial de la base nitrogenada, pongamos un ejemplo:  

TAGACATCG

Este fragmento de ADN contiene las bases: timina, adenina, guanina, adenina, citosina, adenina, timina, citosina, guanina.

En los organismos vivos, el ADN se presenta como una doble cadena de nucleótidos. Ambas cadenas se enroscan sobre sí mismas formando una especie de escalera de caracol denominada doble hélice. Las dos cadenas se encuentran cohesionadas ya que están unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

ADN, doble cadena de nucleótidos

Estos puentes de hidrógeno pueden romperse y formarse de nuevo de forma relativamente sencilla. Por esta razón, las dos hebras de la doble hélice pueden separarse como una cremallera, bien por fuerza mecánico o por alta temperatura. Cada tipo de base de una hebra forma un enlace con un tipo de base en la otra hebra (lo que se denomina complementariedad de las bases). Las bases purínicas forman enlaces con las bases pirimidínicas, pero de forma exclusiva. La adenina se enlaza con la timina y la citosina con la guanina.

El modelo de estructura en doble hélice fue propuesto por James Watson y Francis Crick en el artículo “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for deoxyribose nucleic acid” publicado el 25 de abril de 1953 en la revista Nature.

Francis Crick de pie explicando el modelo del ADN. Le observa James Watson

Pero, como muchos descubrimientos vitales en CIENCIA no tienen un solo protagonista (aunque sean dos) sino muchos más. Veamos algunas de las aportaciones previas para alcanzar dicho conocimiento:

1. El médico suizo Friedrich Miescher aisló el ADN por vez primera en 1869, trabajando en la Universidad de Tubinga. Su estudio, nada grandilocuente por ciento,  consistía en averiguar la composición química del pus de vendas quirúrgicas desechadas. Encontró un precipitado de una sustancia desconocida a la que llamó nucleína, dado que lo había obtenido de núcleos celulares.
2. En 1878, Ludwig Albrecht Kossel, trabajando en el Instituto de Fisiología de Berlín aisló los componentes no proteicos de la nucleína, y posteriormente aisló las cinco bases nitrogenadas.
3. El bioquímico lituano Phoebus Levene, emigrado a Estados Unidos y trabajando en la Universidad de Columbia, en 1919 identificó que un nucleótido estaba formado por una base nitrogenada, un azúcar y un fosfato. Sin embargo, Levene pensaba que la cadena era corta y que las bases se repetían en un orden fijo.
4. El médico británico Frederick Griffith en 1928 dilucidó la función biológica del ADN, a través de experimentos de genética.
5. En 1937, el médico inglés Willian Astbury describió el primer patrón de difracción de rayos X, que mostraba que el ADN tenía una estructura regular y lo denominó “principio transformante”.
6. La caracterización química de la molécula, la realizó en 1940 Edwin Chargaff, un químico austríaco  judío que trabajaba en La Universidad de Columbia de Nueva York. En 1952, además sus experimentos sirvieron para establecer las proporciones de las bases nitrogenadas en el ADN, Confirmó que la proporción de purinas y pirimidinas era idéntica.
7. En 1944 tres científicos del Instituto Rockefeller de Nueva York, Oswald Avery, Colin McLeon y Maclyn McCarthy, realizaron un experimento hoy clásico para buscar dicho “factor transformante”.
8. En 1952 se confirmó el papel exclusivo de la molécula de ADN en la heredabilidad. Se debió a los experimentos de Alfred Hershey y Martha Chase, del Departamento de Genética del Instituto Carnegie de Washington.  Estos científicos comprobaron que el virus fago T2 transmitía su información genética en su ADN, no así en sus proteínas.
9. Entre 1952 y 1953, el químico neozelandés Maurice Wilkins junto con la británica Rosalind Franklin trabajando mediante difracción de rayos X describen la estructura de doble hélice del ADN.

Finalmente, en 1953 James Watson y Francis Crick propusieron lo que hoy se acepta como el primer modelo de doble hélice correcta de la estructura del ADN en la revista Nature. Su descubrimiento no parte de la nada (como hemos visto) pero además contaban con "información privilegiada":

• Su modelo estaba basado en una imagen de difracción de rayos X (y etiquetada como “foto 51”) realizada por Rosalind Franklin y Raymond Gosling en mayo de 1952.

  

  La famosa foto 51

• Asimismo, disponían de la información acerca del emparejamiento de las bases nitrogenadas, obtenida a través de comunicaciones privadas con Edwing Chargaff (a la sazón, trabajando en Estados Unidos).
• También tuvieron conocimiento de nuevas imágenes de difracción de rayos X de alta calidad sobre la molécula de ADN, obtenidas por Rosalind Franklin y que Maurice Wilkins puso a su disposición.  



Rosalind E. Franklin, fallecida en 1958 de cáncer, posiblemente por su
elevada exposición a los rayos X.

En ese mismo número de la revista Nature se publicaron dos artículos apoyando el modelo experimental de Watson y Crick, uno de ellos firmado por Franklin y Gosling y otro por Wilkins y colaboradores.

 

Crick, Watson y Wilkins recibiendo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1962

En 1962, Watson, Crick y Wilkins recibieron conjuntamente el Premio Nobel en Fisiología o Medicina. Dicha concesión no estuvo exenta de polémica, ya que Rosalind Franklin no lo recibió (había fallecido en 1958 y el Nobel se otorga a personas en vida) pero su colega Gosling que si vivía tampoco lo recibió. Edwin Chargaff asimismo se sintió molesto por no ser reconocido con dicho galardón.

Tanto Watson como Crick publicaron libros que recogen las experiencias de sus investigaciones. El de Watson se llama “La doble hélice” y el de Crick (que personalmente me gustó más) “Que loco propósito”.

Francis Crick en el Instituto Salk

Francis Crick, nacido en Inglaterra en 1916, falleció en 2004. Desde 1973 trabajó en el Instituto Salk de Estudios Biológicos de la Universidad de San Diego, ya que sus últimos años se dedicó a las neurociencias. Como explica en su libro pretendía la comprensión del cerebro, aunque pronto se dio cuenta de la magnitud y lo inabarcable de la tarea que se había propuesto. Por tanto centró sus estudios en la demostración experimental de la transmisión de imágenes fijas desde la retina al lóbulo occipital del cerebro, trabajo que constituye una aportación fundamental para el futuro de las teorías de la percepción visual.

Una fotografía reciente de James Watson

James Watson, nació en Chicago en 1928 y todavía vive (Junio de 2014). A partir de 1968 desempeñó el cargo de director del Laboratorio Cold Spring Harbor en Long Island, Nueva York, redirigiendo los intereses de este centro desde el estudio del cáncer al de la biología molecular. Participó en el Proyecto del Genoma Humano aunque lo abandonó en 1992 por desavenencias con su director.

James Watson ha sido una figura polémica. Ya en su libro “La doble hélice” expresa algunas opiniones de sus colegas francamente ácidas (del propio Crick o la física Rosalind Franklin), aunque en ediciones posteriores añadió en el epílogo una loa a la científica fallecida.

Asimismo, Watson se ha visto involucrado en varias desencuentros con otros científicos o con las medios de comunicación, por afirmaciones en relación a la homosexualidad, la inteligencia de las mujeres o de las personas de raza negra, basándose en su conocimiento de la genética. Debo aclarar que son comentarios denigratorios, aunque siempre ha argumentado posteriormente que “sus palabras se han malinterpretado”. No siempre la grandeza de un científico o de su trabajo va acompañado de la mismas cualidades humanas.

Y a la inversa, el ser humano, es tan complejo como su ADN, que siempre podemos encontrar algo bueno en las personas. Como dice la escritora Marguerite Youcernar a través del emperador Adriano: 

“Los hombres más opacos emiten algún resplandor: este asesino toca bien la flauta, ese contramaestre que desgarra a latigazos la espalda de los esclavos es quizá un buen hijo; ese idiota compartiría conmigo su último mendrugo. Y pocos hay que no puedan enseñarnos alguna cosa. Nuestro gran error consiste en tratar de obtener de cada uno en particular las virtudes que no tiene, descuidando cultivar aquellas que posee”

(“Memorias de Adriano”, 1951)

 

La escritora Marguerite Yourcenar

"Memorias de Adriano" es un maravilloso libro en forma de epístola dividida en capítulos, que escribe el emperador a su sucesor Marco Aurelio. En ella el emperador reflexiona acerca de sus años de reinado, de sus triunfos militares, del amor, de la amistar, de la música, el arte y la poesía, de la pasión y el dolor causada por la muerte de su joven amante Antínoo. 

Adriano y Antínoo