¿Cuál es la principal molécula que determina nuestra biología? 🔬🧬

El ADN es una molécula o conjunto de moléculas que se encuentra dentro de las células, concretamente en las mitocondrias y en mayor parte en los cromosomas del núcleo celular. En estas moléculas encontramos las instrucciones genéticas que definen el funcionamiento de cada una de nuestras células. Todas estas instrucciones en nuestro organismo, reconocidas como el genoma humano, no se lograron secuenciar hasta 2003, descubriendo así el texto íntegro de nuestro libro de instrucciones personal. El ADN aclara enigmas sobre nuestros orígenes como seres humanos y define básicamente cómo somos. Transmitiéndose de generación en generación, es el responsable de que nos parezcamos a nuestros progenitores y de que nuestros hijos se parezcan a nosotros. Contiene las instrucciones necesarias para que nuestro organismo crezca, se desarrolle y, pasado un tiempo prudencial, muera.

Un ser humano tiene alrededor de 3 mil millones de letras en el ADN de cada una de sus células; esta gran cantidad de letras da lugar a 20 mil genes codificantes de proteínas, es decir, 20 mil instrucciones. Estos 20 mil genes, que se encuentran replicados en cada una de nuestras células, se componen por un total de 3 mil letras cada uno, las cuales forman palabras en grupos de 3, dando lugar a mil palabras por gen. Si hacemos cálculos con estas cifras vemos que tan solo 60 millones de letras forman genes en una célula, de los 3 mil millones que hay en cada una de ellas. Es a partir de este cálculo que podríamos pensar que solo en torno al 2 % de nuestro genoma es funcional o que el 98 % de nuestro genoma es inútil. En realidad, ese 2 % corresponde a la parte de nuestro genoma que codifica proteínas. Pero el resto de nuestro genoma, lejos de ser inútil y a pesar de no codificar proteínas, sí es funcional; está relacionado con la regulación de la expresión de nuestros genes, ese 2 % codificante, funcionando así como interruptores genéticos que permiten que genes se expresen o no.

En cuanto al tamaño de este genoma, os sorprenderá saber que si estirásemos el ADN de una sola de nuestras células este ocuparía más de 2 metros de longitud. Teniendo el ser humano del orden de 30 billones de células, el ADN de todo nuestro cuerpo posee una longitud de más de 60 mil millones de kilómetros. Esta expresión numérica, representada físicamente, correspondería a 200 mil veces la distancia de la Tierra a la Luna, siendo su peso únicamente de 210 gramos.

¿Qué viene escrito en el ADN que nos define como individuos?

El ADN es un tipo de ácido nucleico como también lo es el ARN. El ADN es ácido desoxirribonucleico y el ARN es ácido ribonucleico. Los ácidos nucleicos reciben este nombre porque están formados de partículas más pequeñas denominadas nucleótidos. Cada nucleótido está formado a su vez de: una pentosa, que es un tipo de azúcar que en el caso del ADN será desoxirribosa y en el ARN ribosa; un grupo fosfato, que es la unión de un átomo de fósforo con cuatro átomos de oxígeno; y una base nitrogenada. Las bases nitrogenadas van uniéndose en secuencia sobre el esqueleto formado por pentosas y fosfatos y cada base definirá el tipo de nucleótido. Hay cuatro bases nitrogenadas que forman el ADN, pudiendo decirse por tanto que el ADN está formado por 4 letras: A, C, T y G; adenina, citosina, timina y guanina. El ADN será así una larga secuencia de nucleótidos definidos por sus bases nitrogenadas y separados en dos cadenas de información genética unidas y enrolladas entre sí en forma de hélice. Por eso generalmente recibe el nombre de “la doble hélice del ADN”. Las bases nitrogenadas de las dos cadenas de nucleótidos que forman el ADN son complementarias, es decir, son capaces de unirse entre sí entre pares de adenina-timina (A-T) y citosina-guanina (C-G). Es así como las dos cadenas de ADN se mantienen unidas, porque las bases nitrogenadas de ambas cadenas se unen entre ellas. Se dice por tanto que el ADN está formado por dos cadenas complementarias de forma que, si una cadena tiene la secuencia AAATTTCGC, la otra cadena complementaria tendrá la secuencia TTTAAAGCG. En la década de los 70 aprendimos a leer esta secuencia de letras que es lo que se conoce como secuenciación del ADN.

Y ahora que sabemos de qué está compuesto el ADN, ¿cómo pasamos de un código de 4 letras a un organismo funcional? ¿cómo se lee toda esta información genética? Pues bien, en realidad toda esta información genética que contiene el ADN agrupada en secuencias de 4 letras servirá para producir las moléculas que nos definirán realmente: las proteínas. Las proteínas sirven para construir estructuras dentro de la célula, regulan procesos enteros como la división de la célula, son esenciales para el crecimiento por su contenido de nitrógeno, algunas como las enzimas facilitan las reacciones químicas dentro de nuestro cuerpo y otras como los anticuerpos actúan como defensa natural frente a posibles infecciones o agentes externos. En definitiva, las moléculas de ADN tienen la información necesaria para construir las proteínas que realizarán las funciones vitales para un organismo. Es por todo esto que decimos que el ADN contiene la información genética para el funcionamiento y desarrollo de la célula.

La secuencia completa de ADN estará dividida en fragmentos que servirán para producir distintos tipos de proteínas. Cada uno de estos fragmentos que produce una proteína concreta se denomina gen. Un gen es por tanto una secuencia de nucleótidos dentro de la cadena de ADN que servirá para construir una proteína. Del mismo modo que el ADN es una secuencia de nucleótidos tenemos que la proteína es una secuencia de aminoácidos. Mientras el ADN tiene 4 tipos de nucleótidos, las proteínas tienen 20 tipos de aminoácidos. Los aminoácidos se unen entre sí en secuencia para formar una cadena que se pliega sobre sí misma de una forma particular para dar lugar a una proteína. Cada proteína tiene una secuencia única de aminoácidos, existiendo en nuestro organismo multitud de tipos de proteínas distintas.

¿Cómo pasar de un alfabeto de 4 letras a uno de 20?

Para que la célula pueda dar lugar a una proteína necesita primeramente convertir la secuencia de nucleótidos del ADN en una secuencia de ARN, lo que se llama transcripción. La transcripción generalmente la realiza una proteína llamada ARN polimerasa colocándose sobre la doble hélice de ADN para desenrollarla y, tras leer la secuencia de ADN correspondiente a un gen, colocar la secuencia de ARN correspondiente. Colocará la base nitrogenada complementaria en cada caso, y particularmente en caso de encontrar una base de adenina colocará una de uracilo ya que el ARN no tiene la base nitrogenada de timina sino la de uracilo. En segundo lugar, la secuencia de nucleótidos del ARN debe convertirse en la secuencia de aminoácidos de la proteína mediante el proceso de traducción. El tipo de ARN sintetizado a través de la secuencia del gen y que servirá para dar lugar a una proteína se llamará ARN mensajero porque posee el mensaje del que saldrá la futura secuencia de aminoácidos de la proteína. Esto es lo que se conoce como el dogma central de la biología molecular: en el ADN hay genes que generan ARNs mensajeros, y estos contruyen proteínas. Para traducir la secuencia de nucleótidos del ARN en la secuencia de aminoácidos de la proteína nos encontramos con que las proteínas se construyen usando 20 aminoácidos, pero tan solo existen 4 bases nitrogenadas en el ARN (A, C, U y G).

La matemática combinatoria muestra que se requieren al menos combinaciones de 3 nucleótidos para construir 20 aminoácidos distintos. Realmente, al leer los nucleótidos de 3 en 3, tomando cada uno un valor de entre 4 posibles, tendremos 4 elevado a 3 variaciones con repetición, considerando una variación distinta a otra tanto si difieren en algún elemento como si están situados en distinto orden. Esto daría un total de 64 aminoácidos distintos.

Los trabajos experimentales mostraron que, en efecto, cada aminoácido está codificado por una agrupación de 3 nucleótidos. Sin embargo, solo existen 20 tipos de aminoácidos distintos y no 64 porque distintas variaciones de 4 bases nitrogenadas agrupadas de 3 en 3 codifican un mismo aminoácido e incluso algunas no codifican aminoácidos sino, por ejemplo, fines de secuencia del gen.

Finalmente tenemos lo que se denomina código genético, las instrucciones que definen qué combinaciones de nucleótidos darán lugar a qué tipo de aminoácidos. Cada triplete de nucleótidos que se va a ir leyendo en una secuencia se llama codón y la estructura dentro de la célula que va a ir leyendo esa secuencia de ARN mensajero de 3 en 3 y va a ir colocando los aminoácidos correspondientes se llama ribosoma. El ribosoma leerá por tanto cada codón del gen y lo traducirá en un aminoácido hasta obtener toda la secuencia de aminoácidos de la proteína completa en la que se traduce el gen.

Así, la transcripción y la traducción son la forma en la que las células leen la información genética de los genes. Cuando un gen sintetiza la proteína para la cual codifica decimos que este gen se está expresando. La expresión genética representa por tanto la actividad de un gen, el proceso de lectura de su información y su sintetización en la proteína para la cual codifica.

A partir de un único gen se pueden producir muchas moléculas de ARN y a partir de una molécula de ARN se pueden producir varias moléculas de una misma proteína. Así, una célula, regulando la producción de estas moléculas de ARN, puede regular la cantidad de proteína que se produce según las necesidades de cada momento. Esto quiere decir que, según estas necesidades, habrá genes que se expresen más y genes que se expresen menos. Por eso el ADN aporta la información, las instrucciones que hacen funcionar a la célula, aportándole cada tipo de proteína en cada momento que lo necesite. Además, hay zonas del ADN que se encuentran demasiado compactas, no se pueden leer. Entonces, los genes que están en esas zonas están inactivos, no se expresan, no dan lugar a ninguna proteína. Son las zonas más laxas del ADN de cada célula las que sí se pueden leer, y son por tanto capaces de dar lugar a las proteínas, porque los genes de dichas zonas sí se expresarán.

Está claro que el ADN nos define tal y como somos, es la principal molécula que define nuestra biología, la mayor base de datos celular que guarda la clave de la evolución, la molécula en la que están escritas las instrucciones que constituyen la esencia de cada ser vivo, el hogar de la información genética que se propaga de generación en generación.

Fotografía 51

Un aspecto triste en esta historia del descubrimiento del ADN y su importancia biológica, es la omisión del papel fundamental que tuvieron dos personas en el descubrimiento de esta estructura. Normalmente cuando hablamos del descubrimiento del ADN se menciona a Maurice Wilkins y, fundamentalmente a los premios Nobel Watson y Crick, pero se olvida el papel esencial que tuvieron dos personas en este importante momento histórico. Duele especialmente porque una de ellas, como tantas otras veces, es mujer, mujer cuyo papel importante en un descubrimiento es minimizado. Estamos hablando de la química y cristalógrafa Rosalind Franklin y su estudiante, Raymond Gosling. Ambos contribuyeron a la comprensión de la estructura del ADN y dieron con una pista fundamental para entender la estructura del ADN revelando su forma de doble hélice a través de una fotografía histórica, la famosa Fotografía 51, una de las fotografías más famosas de la historia de la ciencia y fundamental para entender cómo funcionamos como seres humanos.

“Antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas, ahora sabemos que está en nuestros genes”

James D. Watson