I. INSTRUCCIONES PARA LA FABRICACI�N DE PARTES: LA MOL�CULA DEL ADN

EL MOVIMIENTO de las c�lulas, igual que sus dem�s funciones, es como el de una maquinaria integrada por muchas piezas que deben funcionar con precisi�n. A diferencia de las m�quinas construidas por el hombre, la c�lula tiene que fabricar todas y cada una de sus partes y ensamblarlas despu�s en un conjunto funcional. En gran medida el ensamblaje de las partes procede de manera autom�tica gracias a que las piezas tienen formas definidas y complementarias que encajan unas con otras como en un rompecabezas. Por consiguiente, la funcionalidad del conjunto depende de la precisi�n en la fabricaci�n de las partes, lo cual asegura el engranaje perfecto. La c�lula cuenta con los planos o instrucciones para fabricar estas piezas en un c�digo almacenado en las mol�culas de �cido desoxirribonucleico (ADN), el cual se encuentra contenido dentro del n�cleo en la mayor�a de las c�lulas. Estas instrucciones son muy importantes y necesarias para el correcto funcionamiento de cada ser vivo, por lo que deben preservarse cuidadosamente y ser transmitidas de generaci�n en generaci�n, ya que constituyen el material gen�tico.

Una mol�cula de ADN tiene una estructura helicoidal, parecida a una escalera de caracol que gira hacia la derecha y en la que los escalones est�n formados por un par de mol�culas planas unidas entre si por puentes angostos, llamados puentes de hidr�geno, unidas a la vez, como los eslabones de una cadena, a las mol�culas que forman los escalones contiguos a trav�s de uniones qu�micas covalentes denominadas enlaces fosfodiester. Las mol�culas planas de los escalones son bases nitrogenadas de cuatro variedades, adenina, guanina, citosina y timina y se representan como A, G, C y T. Debido a sus formas y dimensiones particulares cada base del par, o sea un medio escal�n, s�lo puede hacer pareja con otra base especial para completar el escal�n. As� tenemos que A se aparea solamente con T, y G solamente con C, lo que da como resultado que las bases de un escal�n sean siempre complementarias. Los escalones son distintos entre s� y pueden estar ordenados en una gran diversidad de secuencias, tantas como las combinaciones posibles en el alfabeto que maneja la c�lula, que es de cuatro letras, A, T, G, C. La conexi�n, entre las bases de una misma cadena se hace por enlaces que se establecen entre las mol�culas del az�car des oxirribosa que acompa�a cada una de las bases y grupos fosfato asociados a los oxidrilos de las desoxirribosas (Figura I.1).

Figura I.1. Organizaci�n de las bases en las cadenas de la doble h�lice del ADN. A = adenina, T = timina, G = guanina, C = citosina, D = az�car desoxirribosa, P = enlace fosfodi�ster.

Al conjunto que forman una base, su az�car y uno o m�s fosfatos se le llama un nucle�tido. Ser� un nucle�tido monofosfato si tiene un fosfato, nucle�tido difosfato si tiene dos, etc. En la mol�cula del ADN un fosfato une a dos nucle�tidos formando el enlace fosfodiester (Figura I.2). Una secuencia definida de pares de bases constituye lo que se llama un gen, la variabilidad en la secuencia de bases forma el c�digo gen�tico. En los genes de un organismo est� la informaci�n precisa, que al ser descifrada permite construir las piezas necesarias para que funcionen las diferentes m�quinas que en su conjunto forman una c�lula. El n�cleo de pares de bases y de genes en un organismo puede ser muy variable. El ADN de un virus tiene alrededor de 5 000 pares de bases, mientras que el ADN humano 4 500 millones.

Figura I.2. F�rmula y representaci�n esquematica de los nucle�tidos trifosfato.

En 1953, James Watson y Francis Crick, trabajando juntos en Inglaterra; y bas�ndose en estudios de otros investigadores, como Linus Pauling, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, concibieron un modelo de la estructura del ADN que reun�a todos los requisitos de una mol�cula autorreplicable. Este modelo es conocido como el modelo de la doble h�lice y corresponde a la forma como se ha comprobado experimentalmente que se arreglan estas mol�culas (Figura I.3). Este modelo tuvo gran repercusi�n sobre todo el pensamiento biol�gico del momento, ya que la estructura propuesta contiene dentro de s� misma todos los elementos que le permiten, por un lado, almacenar la informaci�n gen�tica y transmitirla y, por el otro, duplicarla, asegurando que la informaci�n almacenada pase a otras generaciones, con lo cual cumple con los requisitos para ser un almac�n de informaci�n tan importante.

Figura I.3. Imagen tridimensional de la doble h�lice.

Una m�l�cula de ADN que contiene miles de pares de bases puede tener longitudes macrosc�picas, es decir, que se podr�an medir con una regla y hasta con un metro. El ADN de la bacteria Escherichia coli por ejemplo, tendr�a 1 mm de longitud, o sea 1 000 veces m�s largo que la longitud total de la bacteria. Para caber dentro de esta c�lula el ADN tiene que ser compactado, como suceder�a al rehacerse un ovillo de estambre que se ha desmadejado. En los organismos eucariontes, llamados as� porque sus c�lulas contienen un n�cleo, el ADN no est� en el citoplasma, como en las bacterias, sino dentro del n�cleo, el cual a su vez est� contenido dentro de la c�lula y por consiguiente es muy peque�o. En este caso la mol�cula de ADN, cuya longitud es mayor que el ADN de las bacterias, tiene que compactarse much�simo y esto se logra enred�ndose sobre otras mol�culas, que son las prote�nas llamadas histonas. Se forma as� la unidad b�sica de las estructuras conocidas como cromosomas y de las cuales todos los organismos mantienen un n�mero constante. La longitud del ADN cuando se empaca en un n�cleo se reduce de 1.5 m para formar cromosomas cuya longitud promedio es de 1 x 10^-6m (Figura I.4).

Figura I.4. Los estados de comparaci�n de la cromatina para formar un cromosoma.

Independientemente de la forma en que el ADN se compacte, la informaci�n gen�tica est� siempre contenida en la estructura primaria de la doble h�lice. Al ser complementarios todos los pares de bases, la clave escrita en la secuencia de bases en una de las cadenas de la h�lice, correspondiente a la mitad de los escalones, ser� el molde de la otra mitad. Una analog�a a esta situaci�n ser�a lo que es el positivo y el negativo en una pel�cula fotogr�fica, que tienen la misma imagen pero complementaria. La clave se puede ir descifrando en cualquiera de las dos cadenas pero ley�ndola en sentidos opuestos, como puede verse en la Figura I.1. Por esta raz�n se dice que una mol�cula de ADN tiene polaridad. Cada cadena tiene entonces un extremo 5� y uno 3� en lados opuestos. Por la polaridad y complementaridad del arreglo de las bases siempre se puede reconstruir un medio escal�n, ya que se sabe qu� base se necesita para completarlo, y si se da�a una de las cadenas, ya sea en su totalidad o solamente en un fragmento, este da�o podr� repararse copiando de la cadena intacta (que ser� el molde) la secuencia da�ada. Esta reparaci�n restituye as� la informaci�n completa.

Ya que la informaci�n gen�tica tiene que transmitirse de generaci�n en generaci�n, las mol�culas del ADN deben duplicarse muchas veces, tantas como una c�lula se divida para formar dos nuevas c�lulas y debe hacerlo con alta fidelidad. �C�mo puede entonces duplicarse una mol�cula tan grande y compleja? La replicaci�n del ADN requiere a su vez de la duplicaci�n de cada una de las cadenas por separado, lo cual se puede hacer si en principio las dos cadenas de la h�lice se separan (Figura I.5). Abrir todos los puentes que unen a los pares de bases de cada escal�n requiere gran cantidad de energ�a, esto y la formaci�n o s�ntesis de las nuevas cadenas necesita la participaci�n de otras mol�culas que proporcionen la energ�a, y que como ayudantes mantengan abiertas a las cadenas maternas para que los nucle�tidos puedan ser adicionados a las cadenas nuevas. Estas mol�culas ayudantes son las prote�nas llamadas enzimas, las cuales pueden actuar como catalizadores de reacciones qu�micas. Se unen a las mol�culas que participan en la reacci�n, llamadas substrato, aumentando su concentraci�n local en el sitio en donde se llevar� a cabo la reacci�n y manteniendo la orientaci�n correcta de los grupos qu�micos reaccionantes. Adem�s, al unirse al substrato, la energ�a derivada de esta uni�n contribuye a la cat�lisis. Al final de la reacci�n la enzima se desprende del substrato ya modificado, quedando lista para actuar de nuevo. El proceso de replicaci�n de una mol�cula del ADN demanda alta fidelidad y podr�a dividirse en tres grandes etapas. La primera es la selecci�n del nucle�tido que se va a incorporar a la mol�cula nueva y el desenrollamiento de las cadenas en el sitio en donde va a empezar la replicaci�n y se incorporan los nucle�tidos seleccionados.

Figura I.5. Replicaci�n del ADN. El crecimiento en la direcci�n 5�- 3� es el que sucede en forma continua. No se ha encontrado ninguna polimerasa que pueda agregar nucle�tidos en la direcci�n 3�- 5�.

Una vez incorporado un nucle�tido a la nueva cadena, hay que asegurarse que es el correcto, es decir, el complementario a la base o letra que se est� leyendo en la cadena que sirve de molde. Un error en esta parte implica que el nucle�tido tendr� que ser eliminado, pues de lo contrario el c�digo se altera y al descifrarlo se tendr� una palabra incorrecta y una instrucci�n err�nea. Finalmente, una vez terminado el ensamble de los nuevos nucle�tidos en una cadena hay que asegurarse de la fidelidad de la copia y hacer las correcciones necesarias, como un editor al revisar un texto reci�n escrito o impreso.

La enzima llamada polimerasa del ADN es la que se encarga de seleccionar el nucle�tido adecuado y meterlo a la cadena que se est� construyendo. Los nucle�tidos se incorporan al ADN como nucle�tidos trifosfato, se pegan entre s� formando el enlace qu�mico llamado fosfodi�ster, perdiendo dos grupos fosfato.

El apareamiento correcto ya mencionado, y que solamente se da entre bases complementarias, A con T y C con G, es aparentemente la forma m�s estable desde el punto de vista energ�tico. Sin embargo, se ha calculado que se introduce un nucle�tido que no corresponde por cada 10 millones de pares de bases; este nucle�tido es sacado de la cadena al romperse su enlace fosfodi�ster por otra enzima llamada exonucleasa.

En algunos casos se pasa por alto el error y esto puede resultar en un beneficio para el organismo, ya que el futuro de una poblaci�n depende en parte de su habilidad para cambiar y adaptarse fabricando piezas de m�quinaria con ciertas ventajas para una nueva situaci�n. Estos cambios o mutaciones suceden frecuentemente cuando las condiciones del medio ambiente se hacen m�s dif�ciles. Tal posibilidad de cambio y adaptaci�n, iniciada en las secuencias de las bases del ADN, constituye la base molecular del proceso evolutivo de las especies conocido como selecci�n natural.

La polimerasa �nicamente puede incorporar los nucle�tidos en una de las dos cadenas a la vez, pues lo hace leyendo el mensaje que est� en la cadena que tiene la orientaci�n 3�-5�s. �C�mo se hace entonces la s�ntesis de la otra cadena que tiene la polaridad invertida? El proceso es un poco diferente y la copia de esta cadena se hace ensamblando peque�os fragmentos sobre las bases que llevan la orientaci�n correcta 3�-5�, aunque por esta raz�n la incorporaci�n de nucle�tidos no puede ser continua. Estos fragmentos son sintetizados despu�s de un iniciador formado por ribonucle�tidos del �cido ribonucleico (ARN) y se denominan fragmentos de Okazaki (su descubridor), y est�n unidos o ligados por una enzima llamada ligasa, previo desprendimiento del ARN iniciador. La fabricaci�n o sin tesis de esta cadena es m�s lenta, ya que implica la participaci�n de varias enzimas y un mecanismo m�s complejo (Figura I.6).

Figura I.6. Ilustraci�n de un punto de replicaci�n en la doble h�lice. Se muestran las varias enzimas que participan.

La s�ntesis de nuevas cadenas del ADN tambi�n requiere del desenrollamiento de la doble h�lice en el punto de replicaci�n para que puedan; llevarse a cabo todas las acciones de incorporaci�n de nuevos: nucle�tidos. Esto se realiza mediante enzimas espec�ficas que facilitan el proceso, como las llamadas topoisomerasas, B helicasa, etc., que ayudan a desenrollar la doble h�lice y a mantener las dos cadenas separadas mientras se incorporan los nucleotidos. Estos procesos necesitan de la energ�a que es provista por el ATP. En el caso de que el ADN se asocie a prote�nas, como sucede en los organismos nucleados, la replicaci�n del ADN va acompa�ada por la s�ntesis de estas prote�nas, ya que la nueva mol�cula del ADN debe enrollarse nuevamente sobre ellas para formar los cromosomas.

Entendiendo la estructura de la doble h�lice, �podremos conocer la secuencia en que se ordenan las bases para formar genes en una determinada mol�cula de ADN? Cada c�lula humana, por ejemplo, contiene aproximadamente 100 000 genes, cuya informaci�n, al ser descifrada, permite formar un ser humano funcional. Esta informaci�n contenida en el ADN de cada organismo constituye su genoma. Descifrar la estructura de los genes de: un genoma, aunque �ste corresponda a un organismo primitivo o tan complejo como un ser humano, es una tarea de grandes proporciones, ya que hablamos de millones de pares de bases. Sin embargo, las nuevas t�cnicas desarrolladas para el estudio del ADN hacen posible pensar que en un futuro pr�ximo se podr� tener descifrado el genoma humano. Ya se han localizado 1 500 de los genes humanos en varios de los 23 pares de cromosomas que forman el mapa cromos�mico humano. Una de las t�cnicas m�s promisorias en la tarea de identificar genes es la posibilidad de introducir y multiplicar, dentro de las bacterias, fragmentos del ADN de cualquier organismo.

Esta multiplicaci�n de fragmentos espec�ficos, llamada donaci�n, permite que el ADN introducido (extra�o) se replique y amplifique en las bacterias, las cuales al crecer y multiplicarse producen cantidades grandes de los fragmentos del ADN extra�o. Si se logra obtener un n�mero grande de bacterias recombinantes (aquellas que han integrado fragmentos del ADN extra�o) , la posibilidad de tener donados a la mayor�a de los genes contenidos en el ADN de cualquier organismo es tambi�n muy alta. Se tiene as� lo que se llama una biblioteca gen�mica, ya que de �sta podr� sacarse en cualquier momento la informaci�n guardada junto con el ADN de las bacterias. Los diferentes genes presentes en una biblioteca de este tipo pueden identificarse; por varias metodolog�as que se han desarrollado en los �ltimos a�os y que por su importancia en la investigaci�n biol�gica les ha merecido a sus inventores el codiciado premio Nobel. Una vez identificado el gen, su secuencia de nucle�tidos se establece caracterizando a las bases que la forman por sus propiedades qu�micas y f�sicas. En este punto ha sido muy importante el descubrimiento de enzimas que pueden romper las cadenas del ADN en sitios en donde hay una secuencia particular de bases, como ser�a por ejemplo AGTC. Al usar la enzima que solamente rompe a esta secuencia sabemos de antemano que si se rompe el ADN que estamos estudiando es porque existe esta secuencia en el gen. El uso de una combinaci�n de este tipo de enzimas facilita no s�lo la identificaci�n de las bases sino que nos permite conocer su arreglo lineal en una mol�cula de ADN.

Con estas metodolog�as se ha podido conocer la secuencia de varios genes y establecer que no todos sus nucle�tidos contienen la informaci�n utilizable para construir las partes de la maquinaria. Estas secuencias, sin informaci�n, tienen una funci�n regulatoria, necesaria para que pueda descifrarse la clave de un gen, asegurando, a trav�s de programas bien establecidos, cu�ndo y como se va a transmitir la informaci�n contenida en el gen. Hay tambi�n algunas secuencias en el ADN que no contienen ning�n mensaje pero cuyo papel regulatorio se ejerce cuando la mol�cula del ADN se va a duplicar, cuando se desenrolla y vuelve a enrollarse para formar los cromosomas o tambi�n cuando se desenreda un poco mientras se pasa la informaci�n del c�digo a otras mol�culas encargadas de llevar las instrucciones a los sitios donde se fabrican piezas para las m�quinas celulares.