Isaac Asimov El Codigo Genetico

ISAAC .AZA&IANES

E & Ij llDtTORES

ISAAC ASMOV

EL CODIGO GENETICO

PLAZA & JANES EDITORES.S.A

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AOEÑCIA ZAROOYA

Primara edición: Marzo. 1965

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C op yright O 1062 by Isaac Asim ov 1W2. P LA ZA & JA N E S ED ITO R ES. 8 . A . Virgen de Guadalupe, 21-33 Esplugues de Uobrogst [Barcelona)

Printed In Spaln — ISB N : 84-01-45043-8 —

Im preso an EapaAa

Depósito Legal: B. 8595-1985

INTRODUCCIÓN EL DESCUBRIMIENTO

Todos nosotros, aun sin darnos cuenta, esta­ mos viviendo las etapas iniciales de uno de los más importantes descubrimientos científicos de la Historia. Desde el nacimiento de la Química moderna, acaecido poco antes de 1800 hasta hace unos años, los biólogos se preguntaban cuál es la naturaleza de la vida, sin hacer más que cortos avances en torno al tema. Algunos, desanimados, se resigna­ ban a dar por insoluble el m isterio de la vida y sus mecanismos, algo que el cerebro del hombre nunca podría comprender. Hasta que llegó la década de los 40. Mientras la guerra convulsionaba al mundo, un apasionado afán de creación se apoderó de los hombres de ciencia de todas las naciones. (E sta relación entre guerra y creatividad se ha advertido ya en otras ocasiones, aunque rara vez se ha pretendido uti­ lizarla a modo de excusa de la guerra.) Los bioquímicos ya habían aprendido a usar átomos radiactivos en sus investigaciones sobre organismos vivos. Los incorporaban a compues­ tos, a fin de poder seguir éstos por el cuerpo. Cuando, en los años 40, gracias al reactor nu7

ciea r, se p u o o d isp o n er ú c á to m o s co n m a y o r iac ilid a d , lo s b io q u ím ic o s lo s u tiliza ro n p a ra desen­ re d a r algu n os d e lo s h ilo s qu e fo rm a n e l c o m p li­ ca d o en tram ad o d e la q u ím ica co rp o ra l. T a m b ién en a q u ella d écad a lo s b io q u ím ic o s a p ren d iero n a sep a ra r lo s com p on en tes d e h e te ­ rogén eas m ezcla s u tiliza n d o sim p lem en te una h o ja de p a p el ab sorb en te, d isolven tes o rd in a rio s y una c a ja h erm ética. P o r o tra p a rte, u tiliza b a n tam b ién co m p lica d ísim o s in stru m en tos: m ic ro s c o ­ p ios e le ctró n ic o s qu e au m entaban lo s o b je to s cien ­ tos d e veces m ás q u e lo s m icro sco p io s c o rrie n ­ tes, e s p e c tró g ra fo s p a ra d ete rm in a r las m asas qu e seleccion ab an lo s á to m o s u n o a uno, etcétera. T am b ién en a q u ella década se d io e l p rim e r p a so p a ra re a liza r la d elin cación rig u ro s a de la fin a estru ctu ra d e las m olécu las gigan tes q u e fo rm án e l te jid o v iv o . P e ro e l gra n d escu b rim ien to se h iz o en 1944, cuando un c ie n tífic o lla m a d o O. T . A v e ry y dos colega s suyos estu d iaron una sustancia cap az de tra n s fo rm a r una cep a b a cteria n a en o tra . L a sus­ tan cia e ra e l á c id o d eso x irrib o n u cleico , co n o c id o p o r la s sigla s A D N o D N A , según su d en om in ación in glesa. P a ra e l p ro fa n o , e s te d escu b rim ien to puede p a recer p o c o im p o rta n te. S in em b a rgo, ech ó p o r tie rra con cep tos qu e lo s b ió lo g o s y lo s q u ím icos daban p o r d escon tad os d esd e h a cía un s ig lo . Im ­ p rim ió una n u eva d ire c c ió n a la in vestig a ció n de la n atu raleza d e la v id a e im p u so n u evos m étod os d e estu d io. L a ra m a d e la C ien cia qu e ah ora se lla m a «B io lo g ía M o le c u la r» re c ib ió un gra n im ­ pu lso. 8

E n tneaaosde v e in te años se reso lviero n p r ^ blem as qu e se creían in solu bles, y se c o rfo b o n ^ ro n op in ion es q u e parecían fan tásticas. L o s hom ­ bres d e C ien cia en traron en una c a rre ra en» pos de nu evos lo g ro s y m uchos d e ello s saliero n v ic ­ toriosos. L a s consecuencias son casi in calcu lables, pues la visión cla ra y fr ía de la C ien cia m od ern a ha p en etrad o en e l estu d io d el h o m b re h asta un n i­ v e l m ás p ro fu n d o qu e en cu a lq u ier o tro m om en to d e sus tres siglos y m ed io de existencia.

L a C iencia ta l com o la con ocem os n osotros em pezó h a cia e l 1600, cuando e l gran in vestigad or ita lia n o G a lileo p o p u la rizó e l m étod o de ap lica r m étod os cu an titativos a la ob servación , to m a r m edidas exactas y ab straer gen eralizacion es qu e p u dieran exp resarse en fo rm a d e sim ples re la c io ­ nes m atem áticas. G a lileo o b tu vo sus triu n fo s en e l .cam po de lá m ecánica, en e l estu d io d el m ovim ien to y d e las fuerzas, cam po que, hacia fin a les d el s ig lo x v n , fu e am p liad o en gran m ed id a p o r un c ie n tífic o in glés, Isa a c N ew ton . E l m ovim ien to de lo s cuer­ pos celestes se in terp reta b a según la s le y e s d e la m ecánica; lo s fen óm en os co m p lejo s se deducían de suposiciones básicas y sim ples y la A stro n o ­ m ía, a l ig u a l q u e la F ísica, em pezó a to m a r la fo rm a m oderna. L a F ísica sigu ió avanzando y flo re cie n d o p o r el cam in o q u e m arcó e l gran descu b rim ien to de G a­ lile o . E n e l s ig lo x rx se dom eñ aron la electricid a d y la fu erza m agnética y se esta b lecieron teorías 9

qu e explicaban satisfactoriam en te lo s fenóm enos electrom agnéticos. C on la llegad a d el siglo x x , e l descubrim iento de la rad iactivid ad y e l d esa rrollo de la te o ría de los cuanta y la de la rela tivid a d lleva ro n la F í­ sica a un terren o m ás com p lejo y sofisticad o. E n tretan to, a fin a les d el siglo x v n i, e l qu ím i­ c o fran cés L a v o is ie r aplicaba los m étodos de la m ed ición cu an titativa a l ám b ito de la Quím ica, y esta ram a d el con ocim ien to se co n vertía en una ciencia p rop iam en te dicha. E l siglo x ix tra jo e l d esa rrollo de nuevas y fecundas teorías sob re á to ­ m os e iones. S e realizaron grandes gen eralizacio­ n es: se establecieron las leyes de las electró lisis y se con feccion ó la tab la p eriódica. L o s qu ím icos apren dieron a obtener, p o r m ed io de la síntesis, produ ctos que n o se encontraban en la N atu raleza y a veces, para ciertas aplicacion es específicas, los produ ctos sin téticos resultaban m ás ú tiles que los naturales. H acia fin a les d el s ig lo xrx em pezó a desdibu­ ja rs e la d iv iso ria en tre Q uím ica y F ísica. F lo re ­ cieron nuevas ram as d el con ocim ien to com o la Q uím ica F ísica y la Term odin ám ica Q uím ica. En e l siglo x x , la teo ría de lo s cuanta p e rm itió deter­ m in ar la m anera en que se unen lo s átom os para fo rm a r m oléculas. E n la actualidad, cu alqu ier d i visión en tre la Q uím ica y la F ísica es puram ente a rtific ia l, ya que am bas form a n una sola ciencia Y m ientras la m ente humana conquistaba es­ tas b rillan tes victo ria s sob re e l u n iverso inanim a do, m ientras las ciencias físicas se agigantaban ¿qu é ocu rría con las ciencias de la vid a? N o habían qu edado estancadas, desde luego 10

sino qu e avanzaban a grandes pasos. E l siglo Xix, p o r ejem plo, presenció tres im portantes descu­ brim ientos. H acia 1830, los biólogos alemanes Schleiden y Schwann defin ieron la teoría celular. E n su op i­ nión, todos los seres vivos estaban form ados p or células m icroscópicas que eran las verdaderas uni­ dades de la vida. H acia 1850, el naturalista inglés Darwin desa­ rro lló una teoría de la evolución que abarcaba en un todo la vid a pasada y presente. A qu ella teoría es la base de la B iología m oderna. Finalm ente, hacia 1860, e l qu ím ico francés P&steur propugnó la teoría de los gérm enes de la en­ ferm edad. Hasta entonces, los m édicos no empe­ zaron a saber lo que hacían realm ente y la M edi­ cina pasó a ser algo más que una p rofesión que se practicaba a la ventura y se dejaba en m anos de Dios. De entonces data el fu erte descenso del ín­ dice de m ortalidad y e l espectacular aum ento del prom edio de vida. Sin em bargo, estos descubrim ientos de las ciencias de la vida, p o r apasionantes que resulten, no son de naturaleza parecida a los realizados en Física y Q uím ica: son descriptivos, cualitativos, no exigen la aplicación de m ediciones exactas. N o son generalizaciones que perm iten hacer predic­ ciones confiadas ni m anipular expertam ente algu­ na faceta del Universo. Esta disparidad en el avance realizado en los distintos cam pos de la Ciencia ha sido causa de desesperación para muchos estudiosos de las hu­ m anidades. A m edida que el hom bre profundiza­ ba y robustecía sus conocim ientos del universo 11

que le rodea, adquiría 'un m ayor poder. D el ááb m inio dé la pólvora pasó al de los explosivos dé gran potencia y bombas nucleares. Descubrió nue­ vos venenos, quím icos y biológicos. Incluso dis­ pone de un nuevo «rayo de la m uerte» en form a de un instrumento llam ado láser que prom ete tam ­ bién grandes avances en e l cam po de las comuni­ caciones, la industria e, incluso, la Medicina, si es que podemos dedicam os a desarrollar sus usos pacíficos. E l hom bre siem pre ha sido propenso a utilizar sus conocim ientos para provocar el dolor y la des­ trucción; propensión que ha dem ostrado desde que aprendió a u tilizar el fuego y empuñó p or prim era vez un palo. P eto en la década de los 40, p or prim era vez en la H istoria, dispuso de unos conocim ientos que le capacitan para destruir la especie humana y, quizá, toda m anifestación de vida. La Ciencia ha puesto todos estos conocimien­ tos al alcance de los seres humanos; p ero el ser humano en sí continúa siendo un enigma para la Ciencia. Pero, ¿y las «ciencias de la sociedad»? Gran­ des cerebros han estudiado detenidam ente los im ­ pulsos psicológicos, «n orm ales» y patológicos. Otros han estudiado las sociedades y civilizacio­ nes creadas p or el hombre. Sin em bargo, ni la psicología ni la sociología han hecho más que ara­ ñar la superficie del tema ni han pasado de la fase puramente descriptiva. N i una ni otra son lo que un quím ico, im físico o un fisiólogo aveza­ d o en m ediciones cuantitativas llam aría «C ien­ c ia »; n i con el m ayor esfuerzo y m ejor voluntad. 12

« p s i c ó l o g o s ^ s o c ió lo g o s han d escu b ierto aún «q u é es lo qu e hace c o rre r a Ju an ito». O e m anera que no tenem os m ás rem ed io qu e a fro n ta r esta verd ad : en la actualid ad el hom bre sabe lo su ficien te p ara m atar a m il m illon es de hom bres en un solo d ía p o r un a cto de su volu n ­ tad; p ero aún n o alcan za a com p ren d er lo que im pulsa ese acto de la volu n tad. ’ ^ «C on ócete a t i m ism o », exh ortab a S ócrates hace 2.500 años. Y m e jo r será que la H um anidad aprenda a con ocerse; ya que, de lo con tra rio, es­ tam os perdidos.

P o r supuesto, las ciencias físicas han in vad id o e l te rrito rio de la B io lo g ía , anexionando una zona fro n teriza aqu í y haciendo una p en etración allá. L o s fís ic o s han estu diado la con tracción m uscular y lá tensión eléctrica d el cereb ro. Los qu ím icos han tra ta d o de averigu ar las reacciones quím icas que se producen en lo s tejid o s v iv o s . L a m ayor p arte d el cam po de la B io lo g ía , sin em b argo, p er­ m anecía in accesible y lo s cie n tífic o s n o pasaban de p e llizc a r la p e rife ria , hasta la gran década de los 40. Lu ego, en 1944, casi de golp e, el p rob lem a cen­ tral de la vid a -—d e l crecim ien to, reprodu cción , herencia, la d iferen ciación de la célu la d el nuevo o rigin a l, ta l v e z e l au tén tico fu n cion am ien to de la m ente— qu edó expuesto a l escalpelo de la s cien­ cias físicas. E ntonces, p o r p rim era vez, e l h om b re puso el p ie en el cam ino rea l de la verd ad era cie n cia de la vid a, cam ino que puede (y d e b e ) con d u cir a una 13

com p ren sión de la v id a y la m en te tan d eta lla d a co m o la qu e s e p osee d e lo s á to m o s y la s m o lé ­ culas. » D esde lu eg o , esta com p ren sión p o d ría ser m al u tiliza d a , s e rv ir d e in stru m en to p a ra una nueva a trocid a d : e l c o n tro l c ie n tífic o d e la v id a p o d ría fa v o re c e r lo s d esign ios de una n u eva tira n ía . O n o; p orqu e, d eb id am en te u tiliza d a , p o d ría d esterra r, o p o r lo m en os c o n tro la r, la m a y o ría de lo s m a­ les, fís ic o s o m en tales, qu e a qu eja n a l h om b re. T a m b ién p o d ría p o n er las te rrib le s fu erza s d e la N a tu ra leza en m anos de una esp ecie qu e se com ­ p ren d iera y se co n tro la ra , una especie, en sum a, a la que se p u d iera c o n fia r e l p o d e r de d e c id ir en cu estion es d e v id a y m u erte. Q uizá ya sea ta rd e ; qu izá la lo c u ra d e l h o m b re n os lle v a rá a to d o s a la d estru cción antes d e que lo s nu evos co n ocim ien tos puedan fru c tific a r . P ero , p o r lo m enos, ah ora p od em os in ten ta r gan ar la carrera. Y q u izá s ó lo ten gam os qu e re s is tir d u ran te una o dos gen eracion es; p o rq u e la v e lo c id a d a la que avan za la nu eva cien cia es asom brosa. V ea m os...

E n 1820, un fís ic o danés lla m a d o O ersted ad­ v ir tió qu e la agu ja d e una b rú ju la oscila b a cuan­ d o se acercab a a un h ilo co n d u cto r d e co rrie n te eléctrica . E sta o b serva ció n fo r tu ita fu e e l p rim e r paso en la asocia ción de lo s fen óm en os d e la e lec­ tric id a d y e l m agn etism o. Fue una sim p le ob serva ción . C asi n a d ie p o d ía p re v e r sus consecuencias. L a s in vestiga cion es de­ 14

riva d a s d e la ob servación de O ersted, sin em bargo, p erm itiero n e l d esa rrollo de m otores y generado­ res eléctricos y el in ven to del teléfo n o , tod o en m enos de un cu arto de siglo. Sesenta años des­ pués, se inventaba la lám para incandescente y se in iciab a la electrifica ció n d el m undo. En 1883, Thom as E d ison ob servó que si se in trodu cía una placa de m etal en una b om b illa y se colocaba cerca d el fila m en to ca lién ten se con­ seguía qu e una corrien te eléctrica circu lara p o r el vacío en tre e l fila m en to y la p laca en una d i­ rección , p ero n o en la otra. E l p ro p io E dison n o a d v irtió la im portan cia del descubrim iento, p ero otros rep araron en ella. E l «e fe c to E d iso n » se u tilizó en lo qu e ah ora se llam an «lám p aras d e ra d io » y n ació la electrónica. Antes de que transcu rrieran 40 años, la ra d io se había con vertid o en una nueva fu erza de la acti­ vid ad hum ana. Y antes de 60 años, la televisión estaba sustituyendo a la rad io y la electrón ica se aplicaba a la construcción de gigantescas com pu­ tadoras. E n 1896, e l fís ic o francés B ecqu erel ob servó que una p elícu la fo to g rá fic a se velab a en presen­ cia de un com puesto de uranio, aunque estuviera envu elta en papel negro. A l parecer, e l u ran io em i­ tía rayos penetrantes (au n qu e in v is ib les ) y aquella observación a b rió a la C iencia un m undo nuevo den tro d el átom o. Después de un cu arto de siglo d el descubri­ m ien to de B ecqu erel, los cien tíficos atóm icos de­ sintegraban átom os; después de o tro cuarto de siglo, desintegraban ciudades. A l cab o de 60 años, las centrales nucleares sum inistraban en ergía para 15

u6os c iv ile s y lo s fís ic o s avanzaban a m archas forzad as en busca d e la en ergía term on u clear ar­ tific ia l que cu b riría nuestras necesidades d e ener­ g ía du ran te m illon es de años. E n 1903, lo s herm anos W rig h t p ilo ta ro n la p ri­ m era m áquin a vola d o ra m ás pesada que e l aire. E ra p oco m a yo r que una com eta gran de co n un m o to r e x te rio r y con sigu ió elevarse unos m etros antes de caer, a los pocos segundos. P e ro al cab o de sesenta años los descendientes d e aqu el p ri­ m er aerop lan o, nuestros potentes reactores, trans­ p ortan a m ás de un centenar de p asajeros de un extrem o a o tro de océanos y continentes a v e lo c i­ dades supersónicas. E n 1926, G od d ard lan zó un cohete, e l p rim er coh ete prop u lsad o p o r com bu stible y o x ígen o lí­ qu id os que alcanzó una altu ra de 55 m etros y una velocid ad de 100 kilóm etros/h ora. P e ro la tecn o logía de los coh etes avan zó rá p i­ dam ente y , a los 35 años, se construían unidades capaces de p on er a los hom bres en ó rb ita alrede­ d o r de la T ie rra , a una distancia de m ás d e 160 ki­ lóm etros y a una velocid ad de casi 29.000 k iló ­ m etros/h ora. P arece indudable qu e antes de que transcurra o tro cu arto de siglo e l h om b re llegará a la Luna y establecerá en e lla bases cien tífica s.* . Sesenta años, pues, parecen ser e l in te rv a lo tí­ p ico en tre el descu brim ien to y el p len o d esarro­ llo . Puesto que lo s cie n tífic o s estu diaron en 1944 una sustancia a la qu e llam aron A D N y p u esto que su descu brim ien to revolu cion ó con trem enda fu er­ • , E ste lib ro está escrito en 1962. S iete años después, en iu lio de 1969, e l h om b re ponía, efectivam ente, e l p ie en la Luna.

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za las ciencias de la Vida, confío en que —si so­ brevivimos— en el año 2004 la B iología Molecular alcanzará cotas que apenas pueden imaginarse ahora. Muchos de nosotros lo veremos. Y , si lle­ gamos al año 2004 sanos y salvos, el hombre pue­ de ser lo bastante sabio como para garantizar su propia seguridad incluso contra la posibilidad de la autodestrucción.

Este libro intenta explicar los antecedentes del descubrimiento; su significado y sus consecuencias inmediatas y, por último, predecir lo que este des­ cubrimiento puede traer en el fu tu ro: lo que pue­ de ser el mundo en el año 2004, visto con ojos ilu­ sionados.

Capítulo primero HERENCIA Y CROMOSOMAS

AN TES DE L A CIENCIA T od a m u jer sabe cuándo es m adre. E lla sabe que e l h ijo es suyo porqu e ha salid o de su p ro ­ p io cuerpo. , E l concepto de la paternidad es ya más d ifíc il de determ inar. E l hom bre p rim itiv o tardó algún tiem po en darse cuenta d e que é l desem peñaba un papel im portante en la creación de un niño. P ero acabó p o r a d vertirlo, y cuando surgieron las prim eras civilizacion es la idea d e la paternidad estaba establecida. Una vez se asum ió e l concepto d e la paterni­ dad, la fa m ilia ad qu irió un nuevo sign ificado. Un niño ya no era algo que le llegaba inexplicable­ mente a una m u jer, causando inconvenientes al hom bre que en aqu el m om ento fu era con ella; tam bién form aba parte del hom bre, era e l fru to v iv o y reju ven ecido de su cuerpo. De estorbo, el niño se co n virtió en sím b olo de in m ortalid ad : una criatura que, cuando e l padre m uriera, seguiría viva y p od ría represen tar a la fam ilia . E l n iñ o form aba p arte de un gru po que se proyectaba hacia el fu tu ro, cuyos actos honraban 21

o deshonraban a tod o el grupo, vivos, m uertos y p or nacer. (L a B ib lia contiene m últiples referen­ cias a la tragedia de la esterilidad que significaba la m uerte de una fam ilia .) A l m ism o tiem po que se captaba la idea de la paternidad, surgía, inevitablem ente, el concepto de la herencia de cualidades y características. En p rim er lugar, muchos h ijos se parecían visib le­ mente al padre. Ésta fue, en un p rin cipio, la señal inequívoca de que el m arido de la m adre era el padre de la criatura. D e este reconocim iento a pensar que e l h ijo debe heredar tam bién las cualidades intangibles del padre: valor, tem peram ento y ciertas habili­ dades, no m edia más que un paso. Si un hom bre se ha m ostrado apto para mandar, es de suponer que el h ijo poseerá tam bién aquellas cualidades que valieron e l m ando a su padre. P o r lo tanto, era lógico que la dignidad real pasara de padre a hijo. Esta noción de la existencia de una unidad orgánica que entrelazaba firm em ente a las genera­ ciones m ediante la transm isión de unas caracte­ rísticas, d io origen a fenóm enos tales com o el cul­ to a los antepasados, enem istades y venganzas, aristocracias, sistemas de castas y hasta racism o. Esta noción de la fam ilia aún subsiste entre nosotros. Muchas de las ideas estrictam ente triba­ les del hom bre p rim itivo Se han desterrado, pero todos sabemos exactam ente qué querem os decir cuando afirm am os que fu lan o es «d e buena fa­ m ilia ». Todavía nos sentim os inclinados a hacer re­ caer en los h ijo s los pecados de los padres al su­

pon er que los h ijos d e padres que «n o han hecho carrera» tam poco van a hacerla. L a noción de la herencia de unas característi­ cas, de la transm isión de ciertas cualidades de padres a h ijos es, pues, una de las m ás antiguas, extendidas y arraigadas m antenidas p o r la especie humana. Es tam bién una de las más im portantes, si se tiene en cuenta la m anera en que h a afectado la estructura de la sociedad. T o d o aqu ello que pueda exp licar razonadam en­ te la m anera en que se produce esta transm isión d e características, con virtiéndola de tradición in­ tu itiva en conocim iento cien tífico, ha de ser fo r­ zosam ente d el m ayor interés e im portancia.

GENÉTICA H asta la década de los 60 del siglo pasado no se hicieron verdaderos experim entos con el meca­ nism o de la herencia. Fue entonces cuando empe­ zaron a hacerse observaciones exactas que fue­ ron m inuciosam ente anotadas y estudiadas. E l hom bre que las realizó era un m on je agustino lla ­ m ado G regor M endel, que cultivaba su afición a la botánica en un convento d e Austria. Aquel m on­ je cultivaba distintas variedades de guisantes que luego m ezclaba cuidadosam ente y anotaba la fo r­ m a en que se desarrollaban las diferentes carac­ terísticas de color, form a d e las sem illas y lon gi­ tud de los tallos. De aquellos experim entos se sa­ caron unas conclusiones sim ples que ahora se lla­ man «leyes m endelianas de la herencia». Luego resultó que aquellas leyes podían aplicarse no sólo 23

a l o * guisantes, s in o á to d a s la s cria tu ras: m oscas d e la fru ta, raton es y personas, r Cuando se ap licaron a i gén ero hum ano, se de­ d u jo qu e am bos progen itores, va rón y hem bra, con tribu ían a la h erencia en partes iguales. Cada uno con trib u ía con un fa c to r (e n las circunstan­ cias m ás sim p les) p ara cada característica física. Los dos fa ctores qu e determ inaban una caracte­ rístic a podían n o ser iguales. P o r ejem p lo , un p ro ­ gen ito r p od ía tran sm itir un fa c to r d e c o lo r de o jo s p rod u ctor de o jo s azules y e l o tro , un fa c ­ to r de o jo s castaños. E n la com binación, un fa c to r puede predom i­ n ar sob re e l o tro . P o r ejem p lo, una p erson a que hu biera heredado un fa c to r de o jo s castaños y o tro de o jo s azules ten d ría o jo s castaños. Sin em bargo, e l fa c to r de o jo s azules su bsistiría y , en com binación con o tro fa c to r igu al, p o d ría produ­ c ir un n iñ o con o jo s azules en la gen eración si­ guiente. A p rin cip ios d e l s ig lo x x se d io a estos fa c to ­ res e l n om b re de genes, palabra griega qu e signi­ fica «d a r n acim ien to a », y a la cien cia qu e trata de la m anera en qu e se heredan los genes se la llam ó genética. M endel p od ía con siderarse afortu n ad o p o r tra ­ b a ja r con guisantes, organism os sim ples cuyo cul­ tiv o p od ía con trolar. Cada una de las diversas características que estudiaba estaba determ inada p o r una única p a reja de genes, p o r lo q u e e l m on­ je p od ía ob ten er resultados ú tiles. Las caracterís­ ticas d e los organism os m ás com p lejos suelen ser produ cto de num erosos genes com binados. Ade­ m ás, estos genes pueden p ro d u cir características 24

-iue estén afectad as p o r la s con d icion es am bienta­ les. E ntonces, resu lta d ifíc il e x tra er lo s h ilo s de la herencia. L o s seres hum anos, en p a rticu la r, presentan problem as. A lgu nas características, co m o e l tip o sanguíneo, pueden seguirse b astan te b ien . O tras m uchas, incluso algunas en ap arien cia tan sim ples com o el c o lo r d e la p iel, tien en esquem as h ered ita­ rio s com p licados qu e aún n o han p o d id o aclararse. D esde luego, la «s a b id u ría p o p u la r» da exp lica­ cion es que p arecen plau sibles, sob re las qu e se fundan teorías raciales que m uchas personas están dispuestas a d efen d er con la vid a. P e ro p a ra e l c ie n tífic o las cosas n o son tan sim ples n i tan san­ grientas. P ara d escu b rir e l in trin ca d o m ecanism o d e la h erencia no basta actu ar con e l organ ism o ín tegro, estudiando únicam ente las características qu e se aprecian a sim p le v is ta sin otras consideraciones. S ería com o tra ta r de a verigu a r las reglas d el rug­ b y coteja n d o lo s resultados d e una s e rie de p a r­ tidos. P o r el nú m ero d e veces qu e esos resultados son m ú ltip les d e seis y de siete, deducim os que d ebe de h aber alguna ju ga d a q u e v a le seis puntos y otra , siete. S i pudiéram os escuchar e l v o c e río de las gradas, sabríam os qu e e l p a rtid o d u ra una hora com o m ín im o, d iv id id a en dos tiem p os iguales. P ero para reco ger m ás d atos ten dríam os qu e ver to d o un p artid o. D IV IS IÓ N C E LU LA R D urante la segunda m ita d d el s ig lo x ix , los b ió lo g o s en traron en e l «ju e g o » p rop iam en te d i­ 25

ch e, a i dedicarse ál .estudio-m inucioso d e las célu las m icroscópicas que com ponen to d a la m ateria viva. Cada célula es una gota de liq u id o (d e es truc tura y com posición qu ím ica m uy com plejas) rodeada de una fin a m em brana y p rovista de un pequeño cu erp o central llam ado núcleo. L a célu la es la unidad de la vid a y, aunque en la com posición de un organism o pueden en­ tra r trillon es de ellas, todas las propiedades y ca­ racterísticas del organism o están determ inadas p o r las funciones y actividades de uno u o tro grupo de células o com binación de ellos. E l color de la p iel del individuo depende de la actividad de ciertas células de la piel que fabrican un p ig­ m ento n egro am arronado. Cuanto m ayor es el ren dim iento de estas células más oscura es la p iel. S i una persona su fre de diabetes es p or­ que ciertas células del páncreas, p o r alguna razón, dejan de p rod u cir una sustancia determ i­ nada. . E l razonam iento puede prolon garse hasta el in fin ito y, m ientras tanto, no podem os evita r el pensar que, s i com prendiéram os cóm o se transm i­ ten las propiedades y características de las célu­ las, sabríam os cóm o se transm iten las propieda­ des y características de los organism os. Así, las células de la p iel se dividen periódicam ente de m anera que de cada una se form an dos. Cada una de las nuevas células posee, precisam ente, igual capacidad de produ cir pigm ento que tenía la cé­ lula m adre. ¿Cóm o se ha preservado esta capa­ cidad? H acia 1880, un b ió lo g o alem án, W alth er Flemm ing, estudió a fon d o e l proceso de la división 26

celu la r y descu brió que* e l n ú cleo con tien e u n m a­ te ria l qu e puede im p regn arse d e uú 'tin te r o jo q u e le p e rm ite destacarse sob re un fo n d o in coloro. A este m a teria l se le lla m ó cro m a tin a , nom bre d eriva d o d e la palabra g rie g a qu e s ig n ific a « c o ­ lo r ». D urante e l p roceso de la d ivisió n d e la célula, la crom atin a se a glom era en pares d e filam en tos llam ados crom osom a s. D ad o qu e estos crom oso­ m as en fo rm a de h ilo s desem peñan e l p ap el esen­ c ia l en la d ivisió n celu lar, se d io a l .p roceso 'e l n om bre de m itosis, d eriva d o tam b ién d e una pa­ la b ra g rieg a que q u ie re d e c ir «h ilo ». E n e l m o­ m en to cru cial, p o co antes d e qu e la célu la se d iv i­ da, las p areja s de crom osom as se separan y van cada una a un la d o d e la célu la qu e está a punto d e d ivid irse. Cuando la d ivisió n h a term in ado, cada nueva célu la tien e un nú m ero igu al d e c ro ­ m osom as. D ich o de este m od o, p o d ría p a recer qu e cada nueva célu la tien e la m ita d d el nú m ero p rim itiv o de crom osom as. P e ro n o es así. A n tes d e la sepa­ ración , cada crom osom a fo rm a u n a rép lic a d e sí m ism o. (P o r lo tan to, a este p ro ceso se le llam a re p lica ció n .) Y la célu la n o se d iv id e hasta des­ pués de rea lizad a esta d u p licación . P o r lo tan to, cada nueva célu la posee un ju e g o c o m p leto de pares de crom osom as, id é n tic o a l q u e ten ía la cé­ lula m adre. Cada nu eva célu la está dispu esta para una nu eva d ivisió n , m om en to en e l qu e se rep ite el p roceso d e d u p licación segu ido d e l d e d ivisión . P u esto qu e lo s crom osom as se con servan tan cuidadosam ente y se d istrib u yen co n tan ta exa cti­ tud en tre la s nuevas célu las, p arece ló g ic o suponer 27

q u e la s c a ra c te rís tic a s y fu n cio n es d e la s célu las están g o b e rn a d a s p re c is a m en te p o r e s to s c ro m o ­ som as. S i la s c é lu la s h ija s p o seen to d a s la s p r o ­ p ied a d es d e la c é lu la m a d re, e llo s e d e b e a qu e tie n e n lo s c ro m o so m a s o rig in a le s d e la c é lu la m a­ d r e o ré p lic a s ex a cta s d e lo s m ism os. P e ro , ¿p o d em o s e s ta r segu ros d e q u e , d a d o q u e lo s c ro m o so m a s, p o r su e stru ctu ra , tie n e n la fa ­ c u lta d d e d e te rm in a r la s c a ra c te rís tic a s d e una c é lu la , p u ed en ta m b ié n c o n fig u r a r la s c a ra c te rís ­ tica s d e to d o u n o rg a n is m o ? E l m e jo r a rgu m en to en e l q u e se a p o y a la resp u esta a fir m a tiv a es e l d e q u e to d o s lo s o rg a n is m o s , p o r g ra n d es y co m ­ p le jo s q u e sean cu an d o a lca n za n su p le n o d e s a rro ­ llo , e m p ie za n su v id a sien d o u n a célu la. É s te es e l c a s o d e l s e r h u m an o, p o r e je m p lo , cu ya v id a se in ic ia en e l ó v u lo fe r tiliz a d o resu ltan ­ te d e la u n ió n e n tre la c é lu la d e l ó v u lo m a tern o y la c é lu la d e l esp erm a p a tern o . L a c é lu la d e l ó v u lo es la m a y o r p ro d u c id a p o r e l s e r h u m an o,' a p e s a r d e lo cu a l su d iá m e tro es d e d o c e cen té­ sim as d e m ilím e tr o , u n a p a rtíc u la apen as p e rc e p ­ tib le a s im p le v is ta . E lla c o n tie n e to d o s lo s fa c to ­ res q u e rep resen ta n la a p o rta c ió n m a tern a a la h e re n c ia d e la c ria tu ra . S in e m b a rg o , la m a y o r p a rte d e l m a te ria l q u e c o m p o n e e l ó v u lo e s a li­ m en to , m a te ria in e r te y sin v id a . L a p a rte v iv a es e l n ú cleo , u n a p ro p o rc ió n p e q u eñ ísim a q u e es la q u e e n c ie rra lo s fa c to re s gen éticos. E s to p u ed e p a re c e r u n a s im p le su p o sició n has­ ta q u e pasam os a e s tu d ia r la a p o rta c ió n d e l pa­ d re . L a c é lu la es p e rm á tic a n o c o n tie n e p rá ctica ­ m en te a lim e n to ; u n a v e z co m b in a d a c o n la c é lu la d e l ó v u lo , se n u tre d e l a lim e n to d e ésta . L a c é lu la 28

esp erin é tica es, pues, m ucho m ás pequeña; con­ cretam ente, 80.000 veces m enor. E s la m ás p e ­ queña que produ ce e l cuerpo humano. Sin em bargo, la m inúscula célu la esperm ática contiene toda la aportación d el padre a la heren­ cia de la criatu ra, aportación exactam ente igual a la de la m adre. . _ E l in terio r de la célu la esperm ática consta casi únicam ente de crom osom as bien com prim idos, uno de cada par existente en las células humanas, vein titrés en total. L a célu la o v illa r tien e tam bién en su núcleo vein titrés crom osom as, uno de cada par existente en las células de la m adre. L a form ación de células ovillares y células esperm áticas es e l único caso de d ivisión de c ro ­ m osomas sin reproducción an terior. Las células ovulares y las esperm áticas, p o r lo tanto, tienen «m ed ios ju e g o s » de crom osom as. E sta situación se co rrig e cuando la célula esperm ática y la ovula r se funden para fo rm a r e l óvu lo fe rtiliza d o que contiene vein titrés pares de crom osom as form a­ dos p o r un crom osom a m aterno y un crom osom a paterno. Es sabido que m adre y padre contribuyen en igual m edida a las características que hereda el h ijo . Dado que la célula o v illa r de la m adre con tie­ ne m ucho adem ás de los crom osom as y que la célula esperm ática del padre no ap orta m ás que su m edio ju eg o de crom osom as, parece ló g ic o dedu­ c ir que los crom osom as contienen e l fa c to r gené­ tic o no sólo de las células individuales sino de organism os com pletos, p o r com plicados que sean. P o r supuesto, dado que no podem os suponer que en el cuerpo humano haya sólo 23 caracterís­ 29

ticas d ifere n te s , n a d ie h a a firm a d o q u e c a d a crp m osom a d eterm in e una s o la ca ra cterística . F o r e l c o n tra rio , s e su p on e q u e cad a cro m o som a se com p on e d e una serie d e gen es, cad a u n o d e lo s cuales d eterm in a una ca ra c te rís tic a d ifere n te . A ctu a lm en te se calcu la q u e cad a cro m o so m a hu­ m an o con tien e a lg o m ás de ^.000 ^enes. H a cia e l añ o 1900, y gra cia s a la la b o r d e p io ­ n e ro d e un b o tá n ico h olan d és, H u go d e V rie s , se em p ezó a p en sar qu e e l m ecan ism o d e la h eren cia n o fu n cion a siem p re co n su avidad. A veces se dan ca ra cterística s q u e n o se p arecen a la s d e ningu­ no d e lo s p ro g e n ito re s. E s lo q u e se lla m a m u ta ­ c ió n o cam b io. L a s m u tacion es pueden in terp reta rse a la lu z d e la te o ría d e lo s crom osom as. A veces, en el p ro ceso de la d iv is ió n d e la s célu las, lo s cro m o so ­ m as s e rep a rten d efectu osam en te y una c é lu la o v il­ la r o esp erm á tica p u ed e r e c ib ir u n crom osom a m ás o m enos. E l d e se q u ilib rio resu ltan te a fecta ­ ría a todas la s célu las d e l cu erp o. . H a sta h ace p ocos años n o se han com p ro b a d o las graves consecuencias d e tales d eseq u ilib rio s, p o r lo m en os en lo qu e resp ecta a l ser hum ano. L o s crom osom as ap arecen en la célu la en u n apa­ ren te r e v o ltijo ; p o r lo qu e, hasta 1956, n o se esta­ b le c ió e l c á lc u lo ex a cto de 46 crom osom as p o r cé­ lu la, (A n tes se c re ía q u e era n 4 8 .) S e d esa rro lla ­ ro n nu evas técn icas p a ra e l a isla m ien to y estu d io d e lo s crom osom as y , en 1959, se d escu b rió que lo s n iñ os n acid os co n una fo rm a d e d e ficien cia m en tál llam ad a «m o n g o lis m o » ten ía 4 cro m o so ­ m as e n cada célu la en v e z d e 46.. O tro s tra sto r­ nos, m ás o m en os gra ves, están causados tam 30

trién p o r la p resen cia d e u n n ú m ero an orm al de crom osom as y a la d isto rsió n d e éstos prod u cid a du rante la d ivisió n celu lar. S in em b argo, n o tod as las m u taciones pueden a trib u irse a cam b ios evid en tes en lo s crom osom as. M uchos, m e jo r dich o, la m a yoría se produ cen sin que se observen en ello s cam b ios visib les. P a rece razon ab le su pon er que, en estos casos, tam bién h a h a b id o cam b ios en los crom osom as; aunque a ama escala in visib le para e l o jo hum ano, inclu so ayudado p o r e l m icroscop io. L o s cam bios deben d e h ab erse p rod u cid o en la estru ctu ra subm icroscóp ica d e la sustancia qu e lo s com pone. S i es así, h a llega d o e l m om en to d e in vestiga r a m a yor p rofu n d id ad , es d ecir, d e en tra r en los d om in ios d e la Q uím ica. P ero, antes d e in ten tar a verigu a r qué cam b ios qu ím icos se prod u cen en lo s crom osom as, debem os pregu n tar: ¿D e qué sus­ tancia qu ím ica se com pon en lo s crom osom as?

Capítulo I I ’ O RTANCIA PRIM O RD IAL

L A SU STAN C IA D E L CROM OSOM A L a com posición qu ím ica de los tejid o s vivos es un p rob lem a que ha preocu pado a los qu ím i­ cos desde hace un s ig lo y m edio, y cu yo esbozo general se trazó hacia m ediados del s ig lo x ix . E l in gred ien te p rin cip a l de to d o te jid o v iv o es, desde luego, e l agua — esa m ism a agua qu e existe en to d o e l m undo que nos rodea— . L o s restantes ingredientes, em pero, son com posiciones m uy dis­ tintas de las sustancias com unes a l m undo inani­ m ado. Las sustancias de tierra , m ar y a ire son esta­ bles, resistentes a l ca lo r y , la m ayoría, ininflam ables. Las sustancias aisladas de tejid o s vivos, p o r e l con tra rio, se destruyen fácilm en te p o r e l calor. Todas son m ás o m enos in flam ab les y , aunque se calienten sin aire p ara qu e n o puedan arder, tam ­ bién se descom ponen. E n este caso em iten va p o­ res y cam bian perm anentem ente de una u otra form a. P o r e llo , ya en 1807, a las sustancias aisladas de te jid o s vivos (o que lo hu bieran e s ta d o ) se les d io una clasificación p ro p ia y se las llam ó sus­ tancias orgánicas, ya qu e habían sid o obtenidas 35

de organism os. Las m aterias obtenidas d el mundo inanim ado, naturalm ente, fueron clasificadas de sustancias inorgánicas. H acia 1820 ya era habitual d iv id ir las sustan­ cias orgánicas en tres am plios gru pos: carbohi­ dratos, lípidos y proteínas. E ntre los lípidos, el aceite de o liva y la m antequilla y, en tre las pro­ teínas, la gelatina y la clara de huevo cuajada. A m ediados del siglo x ix , parecía indudable que, de las tres sustancias, las proteínas eran la de estructura más com plicada y función más im ­ portante. E n realidad, e l m ism o nom bre de «proteín a» se deriva de una palabra griega que signi­ fica «d e im portancia p rim ord ial». L a com plejidad de la estructura de las proteí­ nas se refle ja en la fragilid ad de la sustancia. (Aunque no siem pre ocurra así, uno espera que el castillo de naipes alto y com plicado se desmo­ rone más fácilm en te que el pequeño.) Los carbohidratos y los lípidos resisten trata­ m ientos que las proteínas no soportan, p o r lo me­ nos, sin perder la facultad de actuar com o tal. P or ejem plo, en una solución, la m ayoría de las proteínas cam bian constantem ente al ser expues­ tas a un ca lo r suave: la proteína se hace insoluble y no puede seguir desempeñando su función na­ tural. Queda desnaturalizada. Una pequeña cantidad de ácido puede desna­ turalizar una proteína; puede hacerlo, p o r ejem ­ plo, un toque de una solución alcalina. O, tam ­ bién, las fuertes soluciones salinas y la radiación. A falta de todos estos factores, la sim ple agitación de una solución proteínica form ando espum a pue­ de bastar para desnaturalizarla. 36

E n realidad, las proteínas parecen ser la m a­ teria m ism a de la vid a; tan frá giles y delicadas com o un ser vivien te. T od os los cam bios am bien­ tales que anulan la función de la proteín a perju di­ can al organism o e incluso pueden destru ir su vida. L a vu lnerabilidad d e un organism o, com pa­ rada con la de una piedra, p o r ejem p lo, no es sino una som bra de la vulnerabilidad de ,1a proteína que lo com pone. P o r lo tanto, no fu e una sorpresa para los bioquím icos el descubrir que la naturaleza de los crom osom as es em inentem ente proteínica. A l pa­ recer, no podían ser otra cosa. ¿Q ué otra cosa que no fu era el com puesto «d e im portancia p ri­ m ord ia l» podía con stitu ir lo s crom osom as que son lo que determ ina la herencia del organism o? P ero resulta que io s crom osom as no son pura­ m ente proteína, ni toda la p ro teína es «puram en­ te » proteína. Algunas lo son, ya que ninguna parte de su sustancia d ifie re aparentem ente de otras partes. La p ro teína de la clara de huevo es un ejem p lo de éstas; es una proteín a simple. P o r o tra parte, la hem oglobina, la proteína de la sangre que lleva el oxígen o de los pulm ones a tod o el cuerpo, no es una proteín a sim ple; se d ivid e en dos sustancias, hem e y globin. Esta úl­ tim a es una proteín a sim ple, m ientras que la p ri­ m era no es proteína sino una sustancia férrica que no posee ninguna de las propiedades que corrientem ente se asocian con la proteína. La he-, m oglobina es, pues, una proteín a conjugada. «C on ju gad a» es un térm ino derivad o de una pa­ labra latin a que sign ifica «u nida a ». O tras proteínas conjugadas unen, a la parte 37

de protem a sim ple de su com posición, varios tipos d e carbohidratos, Upidos, pigm entos, m etales no férricos, etcétera. L a proteín a de lo s crom osom as es una proteín a conjugada; p ero su p arte no proteín ica no es ninguna de las sustancias que he m encionado, sino una sustancia bastante extra­ ña que fu e descubierta hace un siglo. En 1869, un jo v e n qu ím ico alem án llam ado F ried rich M iescher aisló del te jid o una sustancia que resu ltó no ser ni carbohidrato, n i líp id o , ni proteína. P o r haberla obten ido del núcleo de la célula, M iescher la llam ó nucleína. Con e l tiem po, se dem ostró que la sustancia poseía propiedades d e ácido, p o r lo que pasó a ser denom inada ácido nucleico. A l fin se com probó que esta sustancia estaba litiid a a la protem a de los crom osom as, p o r lo que a la sustancia de lo s crom osom as se le d io el nom bre de nucleoproteína. Pasó el tiem po. Durante e l p rim er tercio del siglo x x , lo s bioqu ím icos se dedicaron al estudio de los virus, entidades causantes de enferm edades y tan pequeños que n o podían ser vistos p o r el m icroscopio. E n 1935, el b ioqu ím ico norteam eri­ cano W en dell M . Stanley aisló e l virus d el m osaico d el tabaco (causante de una enferm edad de las hojas del tab aco) en form a de cristales * Aquellos cristales resultaron ten er naturaleza de proteínas. E l virus no estaba com puesto d e células sino que era un fragm ento no m ayor que un crom o­ soma. A l igual que un crom osom a, e l viru s tenía

* P o r este descubrimiento, Stanley com partió el Prem io N ob el d e Fisiología y M edicina de 1946.

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la fa c u it a d d e repm odu tírsc u n a v e z s e in tro d u cta d i i » c é la la . Y , ad em á s d e e s ta s id iilitu d fu n cio­ nal, p oseía tam b ién una s im ilitu d q u ím ica , según se d escu b riría p ro n to . L u ego resu ltó q u e e l v iru s d ei m o sa ico d e l ta­ b a co n o e ra s ó lo p ro teín a . T am b ién co n ten ía á c id o n u cleico, p o r lo q u e e ra una n u cleo p ro teín a . D es­ d e en ton ces se han a is la d o y an alizad o o tro s m u­ chos v iru s y to d o s e llo s s in excep ción h a n resu lta­ d o ser n u cleop roteín as. E n 1940, e s to o fre c ía a lo s b io q u ím ic o s u n pa­ n oram a c la ro . (S e h a b ía d escu b ierto q u e existían d os tip o s d e en tid ad es q u e se rep ro d u cía n : lo s crom osom as q u e se en con trab an en e l in te r io r de la célu la y lo s v iru s qu e la in va d ía n d esd e e l ex­ te rio r. ¡Y las d os era n n u cleo p ro teín a s!) L a resp u esta a l p ro b lem a d e la gen ética , r e ­ d u cid a a térm in os qu ím icos, con sistía , pues, e n la n atu raleza y estru ctu ra d e la n u cleop roteín a.

V A R IE D A D S in em b a rgo, p a ra lo s q u ím icos d e 1940, e l p ro b lem a de la p ro te ín a ten ía p reced en cia sob re e l d e la n u cleo p roteín a . L a ex p erien cia h a b ía de­ m ostra d o q u e la estru ctu ra d e las p a rtes n o p rotcín icas d e la sustancia e ra rela tiva m en te sim ple. L o q u e con tab a e ra la p a rte de p roteín a. L a s p ro teín a s n o era n pu ram en te c o m p leja s y d elicadas; existía n en una en o rm e v a ried a d d e fo r ­ m as. E s to h a cía qu e e l tem a d e la estru ctu ra d e la p ro te ín a fu era a un tie m p o fa scin a n te e im p o ­ nente. 39

Para darles una id e a d e lo qu e q u ie ro decir , p erm itan qu e haga un esb ozo d e esta varied ad . E n e l cu erp o hum ano se producen con stan te­ m en te m iles de reacciones qu ím icas, cu yo núm e­ r o n o puede calcularse todavía. D e tod os m odos, basta pensar qu e todas las com p leja s sustancias d e lo s alim en tos deben descom pon erse p rim era­ m ente en pequeños fragm en tos qu e después han de ser ab sorb idos y m ezclados en nuevas co m p le­ ja s sustancias aptas p ara e l ser hum ano. Algunos de lo s alim en tos in gerid o s deben descom ponerse para p ro d u cir en ergía y los restos, elim in arse. Las sustancias especiales qu e n ecesita e l cu erpo de­ ben obten erse d e otras sustancias existentes en los alim en tos, y cada una de las tran sform acion es pa­ rece p rod u cirse p o r m ed io de docenas de etapas in terrelacion ad as. Casi ninguna de las reacciones qu ím icas que con tanta fa c ilid a d se efectú an en el cu erp o puede p rod u cirse en una p rob eta, p o r más qu e lo s m ate­ ria les aislados se m antengan a la tem peratu ra d el cuerpo. Para p rod u cir estas reacciones, ten e­ m os qu e agrega r a lgo qu e se extrae d e lo s tejid o s v iv o s (o qu e lo hayan estad o). E ste «a lg o » es una enzima. Una enzim a es un catalizad or, es d ecir, una sustancia qu e, u tilizad a en pequeñas cantidades, hace que una reacción qu ím ica se p rod u zca con m a yo r rap id ez y sin qu e el ca ta liza d o r en sí qu e­ d e perm anentem ente altera d o du ran te e l proceso. E sto lo consigue la en zim a a l su m in istrar una su p erficie sob re la que las sustancias puedan reac­ cion ar con un m en or a p orte d e en ergía y, p o r lo tan to, con m ucha m a yo r rapidez. 40

Es un asunto com p licado, p ero , co n una sim ­ p le an alogía, podrán v e r lo que q u iero d ecir. Un la d rillo colocad o en un tablón in clin ad o n o resba­ lará a pesar de la atracción de la gravedad porqu e la fric c ió n lo m antendrá fijo . H ay qu e em pujar-’ lo p ara qu e se m ueva; es decir, a p lica r energía. Una v e z em piece a m overse puede deslizarse has­ ta el fin a l o quedarse atascado. A h ora bien, su­ pongam os que la su p erficie del tab lón y la del la d rillo están cubiertas d e una fin a y d u ra capa de cera suave. E n estas condiciones, e l la d rillo se deslizará p o r e fe c to d e la atracción d e la gra­ vedad, sin que nadie lo em pu je, y se d eslizará con m ayor rapidez. Pues bien, la enzim a hace las v e ­ ces de la cera. Cada una de las m iles de reacciones que se producen en e l cu erpo es catalizada p o r una en zi­ m a específica. Y n o es siem p re la m ism a enzim a, no vayan ustedes a creer, sino una d istin ta en cada caso. Cada reacción tien e su p rop ia enzim a; y cada enzim a es una p roteín a, una proteín a d ife­ rente. E l ser hum ano no es e l único organ ism o que posee m iles de en zim as: tam bién las tien en todas las dem ás criaturas. M uchas de las reacciones que se producen en las células hum anas ocurren tam ­ bién en las de otras criaturas. D esde lu ego, algu­ nas de las reacciones son universales, pues tienen lu gar en todos los tip os de células. E sto sign ifica que una enzim a capaz d e ca ta liza r una reacción d eterm inada puede darse en las células d e lobos, pulpos, m usgo y bacterias y tam bién en las nues­ tras. Y , a pesar de tod o, cada una de estas enzi­ m as, aunque todas ellas aptas para ca ta liza r una 41

rea cció n d eterm in ad a, es ca ra c te rís tic a de su p r o ­ p ia esp ecie. C ada una d e ella s puede d istin gu irse d é la s dem ás. D e e llo se dedu ce q u e cada esp ecie d e criatu ra tien e m ile s d e enzim as y qu e todas esas enzim as pueden ser d iferen tes. D ad o q u e existen m ás de un m illó n de especies d iferen tes en la T ie rra , es p o sib le — a ju z g a r s ó lo p o r las enzim asr— que existan m iles de m illo n es d e p ro teín a s d iferen tes.

M A Y O R V A R IE D A D . E l p oten cia l d e v a ria c ió n de la s p ro teín a s pue­ d e ilu strarse de o tr o m odo. E l cu erp o hum ano puede fo rm a r a n ticu erpos. E stos son sustancias q u e reaccion an an te la inva­ sión d e m icroo rga n ism os o an te las sustancias tóxicas p rod u cid as p o r ellos, n eu tralizan d o los efecto s d el m icroorgan ism o, o d e su ven en o, e in­ m unizándonos. E sta es la m anera en q u e e l cuer­ p o com b ate una en ferm ed ad co m o la v iru ela . L o s an ticu erp os form a d o s c o n tra e l v iru s d e la v iru ela subsisten en n u estro cu erp o o b ien cu a lq u ier con ­ ta cto fu tu ro con e l v iru s estim u la su rá p id a p r o ­ d u cción (p u esto qu e e l cu erp o ya sabe la receta, p o r a sí d e c ir lo ) y n osotros quedam os inm unes a la v iru ela p a ra siem pre. T am bién , tod os lo s qu e v iv im o s en ciudades estam os expuestos con stan tem en te a la p o lio m ie ­ litis y otras en ferm ed ad es graves. L a m a yo ría p ro ­ du cim os an ticu erp os q u e nos p erm iten evitarla s. P e ro siem p re h ay algu ien , m en os a fortu n a d o, que sucum be. 42

. Producimos también anticuerpos, -según con­ venga, contra sustancias esencialmente inofensi­ vas que se hallan presentes en el polen, los ali­ mentos o en otros lugares del ambiente. Cuando estamos expuestos a estas sustancias, se produce una reacción entre ellas y el anticuerpo que desen­ cadena ciertos molestos síntomas, com o estor­ nudos, inflamación de la mucosa de sla nariz y garganta, irritación de los ojos o de la piel, asma, etcétera. En este caso, decimos que somos alér­ gicos a esto o aquello. Esta sensibilidad a unas sustancias específicas también puede cultivarse. Si se inyecta una sus­ tancia determinada a un conejo, el animal p ro­ ducirá un anticuerpo contra ella. En el suero san­ guíneo extraído del conejo se encontrará el anti­ cuerpo, el cual reaccionará ante la sustancia con­ tra la que el conejo está sensibilizado y contra ninguna otra. A l parecer, no existe lím ite para el número de anticuerpos que pueden producirse. Cada bacte­ ria, cada toxina bacteriana, cada cepa de virus, cada proteína (y algunas sustancias no proteínicas) que entra en la composición de los alimentos o de otros elementos, provoca la producción de un anticuerpo determinado que reacciona a ella y a nada más. Un anticuerpo que combate una determinada cepa de virus no reaccionará a otra, aunque sólo sea ligeramente distinta y pertenezca al mismo virus. Ésta es la causa por la que no poseemos una inmunidad suficiente contra enfermedades tales como el resfriado común y la gripe. Produ­ cimos anticuerpos, sí, pero la próxima vez que 43

estam os expuestos a la en ferm ed ad se tra ta de una cepa d iferen te, p o r lo qu e nuestros anticuer­ pos resultan inútiles. R esu lta qu e cada an ticu erpo es una p roteín a d iferen te. L a d iversid ad de los anticuerpos, es, pues, o tra prueba de la d iversid ad d e las proteínas. P e ro en lo s organism os hay proteín as que no son n i enzim as n i anticuerpos y se p o d ría suponer que éstas, p o r lo m enos, constituyen un m aterial tip o . P o r ejem p lo, ciertas p roteín as form a n im ­ portantes com ponentes estru cturales de te jid o con­ ju n tivo o m úsculo. Las prim eras son el colá gen o y las últim as, la a ctom ios in a * Tam bién está la h e­ m oglobin a, una p roteín a qu e ya hem os m en cio­ nado. Sin em bargo, tam bién éstas d ifieren de una especie a otra. P o r ejem p lo , se puede p rod u cir anticuerpos con tra com ponentes de la sangre hu­ m ana que sólo reaccionarán a la sangre humana. (A s í es com o se id en tifica la sangre hum ana, aun­ que esté seca, sin con fu n d irla con sangre de p ollo , p o r ejem p lo, cuando lo req u iere un caso crim in a l.) A veces, un anticuerpo de la sangre de p o llo reaccionará débilm en te a la sangre de p ato' y uno d e la sangre de p erro, a la d e lob o . E ste lig ero cruce de las reacciones es pru eba de la afin idad del d esa rrollo e v o lu tiv o de las especies. En resum en, cada especie tien e sus proteínas * L os com plicados nom bres qu e se dan a la m ayoría de sustancias quím icas tienen su sign ificado y su razón de ser. D e todos m odos, en la m ayoría d e lo s casos, la explicación nos haría divagar, p o r lo que sólo la daré cuando e llo n o exija apartarnos excesivam ente del tem a. P o r lo demás, ru ego al lector acepte los nom bres quím icos con buena voluntad y confianza.

44

y enzim as características; las tien e cada individuo y las tien e tam bién rada célula. L a palabra clave es «en zim a s», pues cada orga­ nism o produ ce sus proteín as m edian te una larga serie de reacciones qu e son catalizadas p o r enzi­ mas. S i los organism os d ifieren en otras sustan­ cias adem ás de las proteínas, podem os afirm ar que tam bién esas sustancias se han fa b rica d o m e­ d ian te la actividad catalizad ora de las correspon­ dientes enzim as.

ENZIM AS EN DESORDEN Una variación en e l núm ero de una sola de m u­ chas enzim as puede p rod u cir cam bios sorpren­ dentes no sólo en las células qu e u tilizan esa enzi­ m a, sino en tod o e l organism o. E xiste, p o r ejem p lo, un p igm en to n egro par­ dusco form a d o p o r células de la p ie l en una serie d e reacciones, cada una con trolad a p o r una enzi­ m a particu lar. S i esta enzim a se da en cantidad, el pigm ento se produ ce en abundancia y la p iel es oscura, e l cabello, n egro y los o jo s , castaños. S i una de estas enzim as se fa b rica en m en or can­ tidad, la producción de pigm ento es b a ja y la p iel d el in dividu o es clara, e l cab ello, ru b io y los o jo s, azules. A veces, un in d ivid u o nace con la in ­ capacidad de p rod u cir una enzim a. E n este caso, no se form a pigm ento. L a p ie l y e l cab ello son blancos y los ojo s, c o lo r de rosa, pues, en ausen­ cia de pigm ento, lo s vasos sanguíneos se hacen visibles. E ste in d ivid u o es albino. E s decir, que lo qu e consideram os un rasgo 45

hereditario (e l c o lo r del pelo O de lo s ojos)^ o um mutación sorprendente (la aparición del albinis­ m o) puede deberse no ya a la actividad de las cé­ lulas, sino a una variación en la cantidad de una sola de las enzimas que éstas contienen. A veces no es tan fá cil seguir el proceso de en­ zim a a efecto final. La fa lta de una enzim a o el desequilibrio de varias de ellas puede im pedir que se produzca una reacción natural o provocar una reacción que norm alm ente no ocurre. N o se form a una sustancia que debiera form arse o se form a en cantidad excesiva. E n cualquier caso, e llo afec­ tará a su vez la labor de otras enzimas y éstas, a otras y así sucesivamente. Cualquier interferen­ cia en la función de las enzimas, prácticamente en cualquier punto, causará una reacción en cade­ na de consecuencias im previsibles. Existe una enzim a llamada fenilalaninasa que, excepcionalmente, puede estar ausente en el or­ ganismo humano. La reacción catalizada p o r la enzima es una de las que producen una de las ma­ terias prim as que sirven para fabricar el pigm ento negruzco (ya mencionado). Sin esta enzima, es d ifícil form ar el pigm ento y el individuo es rubio. Pero, además, p or razones todavía desconocidas, el individuo que carece de esta enzim a padece una afección llamada oligofrenia fenilpirúvica, que causa una grave deficiencia mental. En muchos casos, las características de un or­ ganismo obedecen al equ ilib rio de las enzimas de la célula. P o r lo que los bioquím icos han po­ dido com probar, parece razonable suponer que todas las características de un organism o no son sino la expresión visible del equ ilib rio enzim átíco. 46

Si: pretendemos resolver e l je ro g lífic o de la herencia, hemos de tratar de responder a dos p re ­ guntas fundamentales: 1. ¿Qué perm ite a la proteína form ar tantás enzimas diferentes? 2. ¿Qué perm ite a los crom osomas provocar la form ación de ciertas enzimas y no otras? Para hallar la respuesta a estas preguntas, he­ mos de zam bullim os en un m ar de palabras, sím­ bolos y fórm ulas químicas. Tratar de averiguar los intrincados detalles de la genética sin este requisito sería com o intentar seguir una película de la televisión sin la banda sonora. Uno puede hacerse una vaga idea de la acción pero no enten­ d er el argumento.

Capítulo III EL LENGUAJE DE LA QUÍMICA

ATO M OS E l len gu aje d e la Q u ím ica em pieza p o r lo s ele­ mentos. Los elem entos son las sustancias que n o pu e­ den descom ponerse (p o r los m étodos ord in arios, desarrollados p o r lo s qu ím icos d el sig lo x r x ) en sustancias más sim ples. Actualm ente, se conocen en to ta l 103 elem entos. A lgu n os d e ello s s ó lo han sido producidos en la b o ra to rio y, d e n o ser p o r la in terven ción del hom bre, que se sepa, n o exis­ ten en la T ierra . O tros existen, p ero son m u y es­ casos. O tros, aunque bastante corrientes, n o tie­ nen im portan cia para lo s te jid o s vivos. E n realidad, p ara e l p rop ósito d e este lib ro , nos basta re ferim o s a seis elem entos, con cretam en te: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

C arbono H id rógeno O xígeno N itró g e n o A zu fre F ó s fo ro

51

Todos son m u y corrien tes, y cu atro d e d io s se encuentran con facilid a d . £1 carbón, p o r ejem p lo, es carbono casi puro, a l igu al qu e e l h o llín y el g ra fito de lo s lápices. Tam bién e l diam ante es una foi?n a especial de carbono. E l noventa y nueve p o r ciento d el aire que res­ piram os es una m ezcla de oxígen o y n itrógen o en p rop orción de 1:4, m ientras que e l azu fre, se p re­ senta b a jo la fo rm a de un sólid o am arillo chillón. E l hidrógeno es un gas ligero , in flam ab le, que se u tiliza p ara hinchar lo s globos. E l fó s fo ro es un sólid o de c o lo r ro jizo . Todas las sustancias están form adas p o r m i­ núsculos átom os. E n e l siglo x x , la C iencia h a de­ m ostrado que los átom os, aunque pequeñísim os, son unos sistem as extraordinariam ente com plejos de partículas to d a vía m ás pequeñas. S in em bargo, nosotros n o vam os a ocuparnos d e la estructura interna d el átom o, y basta d ecir que se trata de un o b je to m u y m enudito. Cada elem ento se com pone de uno o m ás áto­ m os que son distintos de lo s d e tod os lo s demás elem entos. E xisten, p o r lo tanto, 103 clases d ife­ rentes de átom os conocidas, una p o r cada ele­ m ento. Puesto qu e tratarem os sólo d e seis elem en­ tos, n o tenem os que preocu pam os m ás que dé seis átom os: 1) el átom o de carbono; 2 ) e l átom o de hidrógeno; 3 ) e l átom o de oxígen o; 4 ) el átom o de n itrógen o; 5 ) e l átom o de azu fre y 6 ) e l átom o de fó sfo ro . Puesto que vam os a refe rim o s a ello s con fre ­ cuencia, será conveniente disponer de un sistem a abreviado p ara m encionarlos. Los quím icos, p o r acuerdo internacional, utilizan abreviaturas y , con52

aria m en te, estos seis elem entos se m enekmap por su in icia l, j . v - ;. i' D e m anera q u e e l átom o de carb on o es C ; el de h id rógen o, H ; e l de oxigen o. O ; e l de n itró g e ­ no, N ; el de a zu fre, S (s id p h u r) y e l d e fó s fo ro , P ( p h osp h oru s). P o r lo tan to, em pezam os con u n g o lp e d e suer­ te. E n el len gu aje corrien te, tenem os qu e u tiliza r 26 letras d iferen tes, expresada cada una en' dos fo rm a s : m ayúscula y m inúscula. L u ego, tenem os nueve d ígito s p a ra fo rm a r num erales y d iversos signos p ara puntuación y o tro s fin es. (M i m áqui­ na de e s crib ir está equipada p ara p rod u cir 82 sím ­ b olos d iferen tes qu e, en rea lid a d , a veces no m e bastan.) E n e l len gu aje qu ím ico, p o r e l con tra rio, em pezam os, con s ó lo seis sím bolos. N orm alm en te, en la T ie rra n o existen átom os aislados. Casi siem pre, cada u n o d e ello s está aso­ ciado con uno o m ás átom os. C uando la asocia­ ción interesa átom os de una m ism a clase, tenem os los elem entos de lo s que hablaba a l p rin cip io . A veces, la asociación in teresa átom os de d os o m ás variedades, lo cual nos da un com pu esto. C ualquier gru po de átom os (igu ales o distin ­ to s ) que fo rm e una unión qu e no se d isgregu e es­ pontáneam ente sin o que se m antenga p o r lo me- nos e l tiem p o n ecesario p ara ser estudiada, recibe el nom bre de m olécu la , d eriva d o d e una palabra latin a que sign ifica «pequ eñ a can tid ad ». S i lo s átom os son las letras d el len gu aje quí­ m ico, las m oléculas son las palabras. P ero , a fin de u n ir las letra s para fo rm a r palabras, necesi­ tam os con ocer las reglas de la o rto g ra fía quím ica. Cuando tratam os con letras de la lengua españo53

la; sabem os qu e existen ciertas restricciones para la form ación de palabras. S i escribim os una « q » , la letra siguiente tien e que ser forzosam ente una «u ». S i vem os una « r r » sabemos que no puede tratarse de un com ienzo de palabra y , si nos tro ­ pezam os con una com binación de letras com o «z w h f», podem os estar seguros de que no corres­ ponde a una palabra española. Tam bién la orto gra fía quím ica tiene reglas, p ero no debe sorprendernos que sean algo distin­ tas de las que rigen la orto gra fía de la lengua es­ pañola. Para em pezar, el átom o de oxígen o (O ) y el átom o de azu fre (S ) tienen cada uno dos «pina­ tos de u n ión » con otros átom os, com o las letras que quedan en el centro de una palabra, que tie­ nen otras letras delante y detrás. E l átom o de hi­ drógeno (H ) tien e un solo punto de unión, com o las letras que están a l prin cipio o al fin a l de una palabra.

—

n

—

I átom o d e ca rbo no

á to m o d e o x ig e n o

á to m o d e n itró geno

átom o de azufre

Figura t.

á to m o d e h id ró g e n o

Atom os y enlaces

E l átom o de nitrógeno (N ) tiene tres puntos de unión y el de carbono (C ), nada m enos que cuatro. 54

A qu í se p ierd e ya toda sim ilitu d c o n la ordenación de las letras en las palabras. (E l átom o de fó s fo ro es un caso aparte, al que m e re fe riré m ás ad e­ lante, cuando sea n ecesario.) * Podem os m arcar los puntos de unión de cada átom o con pequeñas líneas llam adas enlaces que se agregan al sím b olo de los elem entos. A sí, las reglas de la orto gra fía quím ica pueden esbozarse tal com o se in dica en la figu ra 1.

MOLÉCULAS Es fá c il con stru ir m oléculas sim ples de los átom os, utilizando el sistem a de enlaces indica­ d o en la figu ra 1. L o prim ero que podríam os in­ ten tar es p on er átom os de h idrógen o en cada enla­ ce de los otro s átom os, com o se in dica en la figu ­ ra 2. L os resultados son las fórm u la s estructurales de sustancias reales bien conocidas. D el agua no hace fa lta hablar. E l m etano es un gas inflam a­ b le com ponente p rin cipal del «gas n atu ral» que se usa para guisar y para la calefacción. E l am onía­ co es un gas de o lo r asfixiante. (E l am oníaco que se vende en las droguerías no es la sustancia sino una solución del gas en agua.) E l s u lfu ro de h i­ * En realidad, las reglas d e unión d e átom os son un poco más complicadas. En determ inadas circunstancias, e l átom o de carbono, p o r ejem plo, sólo puede unirse p o r dos puntos. P o r otra pate, el átom o de nitrógeno tiene lugar para un cuarto punto de unión, y el áto m o de azufre, para un tercero y un cuarto. N o obstante, en este lib ro podem os prescindir de estos refinam ientos. Si hago este inciso es para advertirles, con toda sinceridad, de que a veces las cosas son más com ­ plicadas d e lo qu e y o digo.

55

drógeno os un gas pestilente, con o lo r a in je v ó p od rid o que suele encontrarse en »los laboratorios de quím ica escolar o emana de aguas estancadas. H

1 H

H

C

H ------ N ------- H

H

H

M

m e tano

am o nía co

O agua Figura 2.

H

H

S

.

H

su lfu ro d e h id ró ge n o M olé culas sim ples

Los quím icos están tan fam iliarizados con las fórm ulas estructurales de estas m oléculas sim ples que generalm ente no se m olestan en escribirlas con los guiones de unión y se lim itan a in dicar las diferentes clases de átom os. S i la m olécula con tie­ n e m ás de uno de un tip o determ inado, escriben el número. Así p o r ejem plo, m etano se escribe CH4, am oníaco N H j, agua H2O y sulfuro de hidrógeno, H2S. Cuando expresam os de este m odo las m olé­ culas utilizam os lo que se llam a fórm ulas em píri­ cas. Para las m oléculas pequeñas bastan las fó r­ mulas em píricas simples. A veces, los átom os están unidos p o r dos enla­ ces ( doble enlace) o , incluso, p o r tres ( trip le en­ lace) , ta l com o indican los ejem plos de la figu ra 3. 56

. C uando dos átom os de oxígen o están im idos p o r am bos enlaces d e cada uno, resulta una m o ­ lécula form ada p or átom os de una clase. Una sus­ tancia com puesta de estas m oléculas es un ele­ m ento. E l oxígen o de la atm ósfera no está com0 =

0

N =5=5 N

m o lé c u la d e o x ig e n o

0 = C

m o lé cu la d e n itró g e n o

= 0

H -----

b ió x id o d e c a rb o n o

S=

C = S

H

0 = 0

I

H

c ia n u ro d e h id ró ge n o

H

b isu lfu r o d e c a rb o n o

C = N

C

C

H

* a cetileno

H ------ C =

C -------H

I

H

fo rm a ld e h íd o

etile n o

Figura 3.

Enlaces dobles y sim ples

I

H

puesto p o r átom os individuales, sino p o r m olé­ culas de dos átom os cada una. P o r lo tanto, el oxígeno de la atm ósfera se denom ina oxígeno m o ­ lecular. D e igual m odo, e l n itrógen o de la atmós­ 57

fe ra está com p u esto p o r m olécu las d e dos á to ­ m os, en las q u e lo s átom os están u n id os p o r los tres puntos d e en lace p ro p io s d e lo s á to m o s de n itró gen o . T am b ién e l h id ró g en o gaseoso está fo r ­ m ado p o r m olécu las de dos á to m o s qu e, desde lu ego, están im id o s p o r un s o lo en lace, puesto qu e e l á to m o d e h id rógen o n o tien e m ás qu e uno. T am b ién pueden lig a rse m edian te m ás d e un en lace lo s átom os de d istin to s tip os, com o en el caso d el d ió x id o d e c a rb o n o o d e l c ia n u ro d e h i­ d róg en o. D e tod os m odos, la existen cia de enlaces d ob les o trip le s n o a ltera la s regla s de la unión. S i cuentan lo s enlaces corresp on d ien tes a cada á to m o de cu alqu iera de las m olécu las de la fig u ­ ra 3 ob servarán qu e los átom os d e o x ígen o y azu­ fr e tien en siem p re dos enlaces, lo s de n itró gen o , tres, e l á to m o de carb on o, cu a tro y e l de h id ró g e­ n o, uno. C uando se escrib en fórm u las em p íricas, se hace caso o m iso de lo s enlaces d ob les y trip les. S ó lo se cuentan lo s átom os. P o r lo tan to, e l o x ígen o m ole­ c u la r es O 2 , e l n itró gen o m o lecu la r es N 2, e l d ió x i­ d o d e ca rb o n o es CO 2 , e l cian u ro d e h id ró g e n o es H C N , etc.

CAD ENAS D E C AR B O N O Las m olécu las cuyas fórm u las h e enunciado hasta ah ora son m u y sim ples. R ecu rrien d o d e nue­ v o a la com p aración con las palabras, p od ríam os d e c ir qu e estas fórm u las son «p a la b ra s d e una s íla b a ».

58

H\ í > °\

HX

C C

H

I I '

h

H Figura 4.

I

C

I H

c h'

V

I

-

H -— C

H

I

C x —H

I c

\

H' | \ l H Isooctano

S i en lo s te jid o s v iv o s existen m olécu las m ás com plicadas e llo se d ebe a las singulares p ro p ie ­ dades del áto m o de carbon o que se encu en tra p re­ sente en to d o te jid o v iv o . Los átom os de carbon o tien en la p ecu liarid ad d e unirse fo rm a n d o largas cadenas estables. D ado que e l áto m o d e carb on o tie n e cu atro en­ laces, estas cadenas pueden ser ram ificad as. L a m olécu la de la fig u ra 4 represen ta un e je m p lo de ello. Se con oce a esta m olécu la p o r e l nom bre de isooctan o. C ontiene och o átom os de carb on o dis­ puestos en cadena ram ificad a. Los enlaces de los átom os de carb on o qu e n o están con ectados a otro s átom os de carb on o lo están a átom os de hi­ drógen o; si lo s cuentan observarán qu e hay o d )o átom os de carb on o y d iecioch o átom os de h id ró ­ geno. D ado que su m olécu la con tien e únicam ente átom os de carb on o y de h id rógen o, e l isooctano fo rm a p arte de una clase de com pu estos llam ados h id roca rb u ros. L a gasolin a es una m ezcla de dis­ tin tos h id rocarb u ros en cuya com p osición en tra 59

un» im portante proporción de isooctano. , La fórm u la em pírica d el isooctano es CsHu, p ero, una v e z entram os en e l m undo de las m olé­ culas que contienen carbono, dejan de ten er uti­ lid ad las fórm ulas em píricas. P o r ejem p lo, se pue­ de disponer och o átom os de carbono en línea rec­ ta, com o se indica en la figu ra 5. H

H—

H

y

?

C ------C ----C —

I

H

H

I

I

H

H

H

?

H

C ------C ------ C ----C ----- C—

I

H

Figura 5.

H

I

H

I

H

I

H

H

I

O ctano normal

. E sto representa la m olécula de octa n o n orm a l, cuyas propiedades son ligeram ente diferen tes de lás del isooctano. Esta d iferen cia de propiedades sign ifica que e l isooctano y el octano norm al son realm ente dos com puestos distintos, a pesar de lo cual am bos tienen la fórm u la em pírica CtHu. (Y , com o puede observarse, en am bos cada átom o de carbono tien e cuatro enlaces y cada átom o de ' hidrógeno, uno.) E n otras palabras, lo que distingue a una m o ­ lécula de otra no es sim plem ente la clase de á to ­ m os que la com ponen n i su núm ero sino la dis­ posición d e los distintos átom os. P o r e llo , al tra­ tar. d e las com plejas sustancias de los tejid os vi- . vos, tenem os que atenem os a las fórm u las estruc­ turales ya que, de lo con trario, estaríam os p er­ didos. A m edida que las fórm u las estructurales se alargan y com plican, resulta conveniente p o d e r re­ ferirse a partes específicas de la m olécula, com 60

binaciones atóm icas participares que aparecen fr e ­ cuentem ente en la m olécula. U tilizan d o la analo­ gía de las palabras, este p ro ceso es com o p a rtir una palabra larga en sílabas para fa c ilita r su p ro ­ nunciación. Veam os, pues, la com binación de átom os ex­ puesta en la figu ra 6 . H

I

H - — C ------

I

H Figura 6.

El grupo metílico

Com puesto de un átom o de carbon o con h id ró­ geno en tres de sus enlaces. E l cuarto, qu e en la figu ra aparece lib re, puede unirse a casi cualquier tip o de átom o. Si se uniera a un átom o de h id ró­ geno, el resultado sería m etano (com o puede verse en la figu ra 2 ). P o r ello, la com binación de un á to ­ m o de carbono con tres átom os de hidrógeno se llam a g ru p o m e tilo. E n la fórm u la del isooctano (fig . 4), se ven cinco grupos m etílicos, cada uno de los cuales está unido a un átom o de carbono. Para ah orrar espacio, e l gru po de m etilo puede enunciarse al m odo de las fórm u las em píricas, CH 3— . Obsérvese, sin em bargo, e l guión que r e ­ presenta e l enlace n o ocupado. (E l grupo m etilo no es m olécula. E n las m oléculas de las qu e se trata en este lib ro todos lo s enlaces de los distin ­ tos átom os están ocupados. P o r lo tanto, el grupo de m etilo .es sim plem ente fragm en to de una m o ­ lécula; p o r así d ecirlo, una «s íla b a » de la «p a la ­ b ra ».) 61

H

Cr

O

H

H a lc o h o l m e tílico

H

I

H

C

N

H

H

H

a m in a m etílica

H H

I

C

S

H

I

H m e rcap tán m e tílico Figura 7.

G rupos de átomos

E l grupo m etilo puede esta r unido a otros á to ­ m os además de los de hidrógeno y carbono. Con frecuencia, está unido a átom os de oxígeno, ni­ trógeno o azufre, com o en los ejem plos que indico en la figu ra 7. Cada una de estas m oléculas es lo que podría­ mos, llam ar «d e dos sílabas». E n cada caso, e l gru­ po m etilo es una sílaba; lo que resta es la segunda sílaba. 62

L a com binación oxígen o-hidrógeno en e l alco­ hol m etílico puede enunciarse — O H . E l hom bre de este grupo es una versión .ab reviad a de lo s nom ­ bres de los dos átom os que lo com ponen. Es el gru p o h id roxilo. La com binación de n itrógen o y dos átom os de hidrógeno existentes en la am ina m etílica puede enunciarse — N H 2. Un átom o más de hidrógeno nos daría am oníaco, y de este com puesto se d eriva el nom bre del g ru p o de las aminas. La com bina­ ción azufre-hidrógeno del m ercaptan m etílico — SH es el gru p o th io l. E l p r e fijo « t h i» se deriva de la palabra griega que sign ifica azufre. A veces, un grupo atóm ico com ún tien e dos enlaces que no se utilizan. Un átom o de carbono y un átom o de oxígen o pueden estar unidos p o r un enlace d ob le y e l átom o de carbono, ten er todavía dos enlaces sin ocupar. E ste caso puede represen­ tarse así: = C O . É ste es el g ru p o ca rb o n ilo y , si observan la figu ra 3, hallarán un gru po carbonilo en la fórm u la del form aldeh ído. Tam bién puede darse el caso de que dos áto­ m os de su lfu ro estén unidos p o r un solo enlace. Cada uno tendrá entonces un enlace lib re, o sea, dos en total. E ste gru po — SS— , es e l g ru p o bisulfuro. Uno de los com puestos orgán icos conocidos p o r el hom bre desde más antiguo en una form a relativam en te pura es e l ácido a cético, nom bre que se d eriva de la palabra griega que designa e l vina­ gre. E n realidad, e l vin agre es una solución débil de este ácido. En la figu ra 8 se in dica la fórm u­ la del ácido acético.

63

Figu ra 8.

A cid o acético

Como puede observarse, el ácido acético es una m olécula de «tres sílabas». Contiene un gru­ po m etilo unido a un grupo carbonilo que, a su vez, está unido a un grupo hidroxilo. La combina­ ción carbonilo-hidroxilo es muy frecuente en los compuestos, p o r lo que suele considerarse com o una «síla b a » en sí misma. L a frase «carbonilohidraxi/o» se contrae a las partes indicadas en cursiva y e l grupo recibe el nom bre de carboxilo. Dado que la presencia en la m olécula de un grupo carboxilo suele dar a aquélla propiedades de áci­ do, tam bién suele llam ársele grupo de ácido carboxílico. Para abreviar, el grupo carboxilo suele enun­ ciarse — COOH. En realidad, ésta no es una indi­ cación satisfactoria, ya que da a entender que los dos átom os de oxígeno están unidos entre sí y no lo están. Y o p referiría enunciarlo — (CO)OH o 1— C O (O H ), pero estoy seguro de que no he de con­ seguir m odificar una costum bre secular de los quí­ micos. . S i sustituimos la parte de hidroxilo del grupo carboxilo p or un grupo de aminas e l resultado será — CONH 2 . Esto es un grupo amida. Existen muchos grupos adicionales con los que ha de tratar el quím ico al estudiar los compuestos

orgán icos, p e ro n osotros p odrem os arregla rn os con lo s och o m encionados y qu e d eta llo a con ti­ nuación: — CH, — OH . —N H j — SH =C O —ss— — COOH — CONH2

grupo grupo gru po grupo grupo gru po grupo grupo

m etilo h id rox ilo am inas th io l carb on ilo bisu lfu ro carb oxilo am ida

C ARBO N O E N A N ILLO S T od a vía no hem os term in ado. H a y aún o tro refin am ien to a ten er en consideración. Los átom os 4® carb on o tien en tendencia a fo r ­ m ar an illos. E stos an illos form a n unas com bina­ ciones extraord in ariam en te estables; en especial cuando están com puestos p o r cin co o seis átom os, y de m od o p articu lar cuando lo s enlaces d ob les se alternan con los sencillos. L a fig u ra 9 in d ica un ejem plo. L a m olécu la que se m uestra es la d e l benceno. Tien e en el núcleo un a n illo de seis átom os de carbono, cada uno de los cuales está conectado al áto m o de carbon o con tigu o p o r un enlace sim­ ple y a o tro p o r un enlace doble. Cada átom o de carbon o tiene, adem ás, un cuarto enlace que lo conecta a un áto m o de hidrógeno. E l a n illo de seis átom os de carbon o con enla­ ces dobles y sim ples altera os se llam a a n illo de 65

H

l

H Figura 9.

Benceno

benceno. Es tan estable que se encuentra en mu chos m iles de compuestos. Los quím icos, al escribir sus fórm ulas, han te­ nido que u tiliza r este anillo con tanta frecuencia que, inevitablem ente, han buscado la form a de abreviar su enunciado y la solución aplicada con más frecuencia es la de la representación geomé­ trica. E l anillo de benceno se representa com o un sim ple hexágono, con indicación de los enlaces simples y dobles, com o aparece en la figu ra 10.

66

P a ra reco n vertir esta versió n geom étrica del a n illo de benceno en la m olécu la de benceno de fo rm a que aparezcan tod os sus átom os, basta co­ locar una C en cada uno de los ángulos d el hexá­ gon o y reco rd a r qu e todos los enlaces restantes están unidos a átom os de h idrógen o. E llo resulta tan fa m ilia r a lo s qu ím icos que, con una sim ple ojead a, éstos pueden in terp reta r lo s m ás com p li­ cados sistem as anulares.

r>

OH

i

í l u

to lu e n o Figura 11.

T

fe n o l

1H2

í l u a n ilin a

C o m p u e sto s que contienen un anillo d e benceno

P ero, ¿qué ocu rre si los enlaces restantes están unidos a átom os qu e no son d e h idrógeno? En este caso, se indican los átom os o grupos de átom os conectados. D oy unos ejem p los en la figu ­ ra 11, en la qu e tolu e n o lle v a a gregad o un gru po de m etilo al a n illo de benceno, e l fen o l, un grupo h id ro x ilo y la anilina, un grupo am ina. P ara sim p lifica r, casi siem p re los grupos agre­ gados se enuncian com o fórm u las em píricas. M ás adelante, in trod u ciré una m ayor sim p lificación . H ay an illos atóm icos qu e no están form ados únicam ente p o r átom os de carbono, sin o que pue­ den in terven ir otro s átom os, gen eralm ente, n itró ­ geno u oxígen o. E n este caso, hay que especificar en la figu ra geom étrica el átom o que n o es carbo67

o fu ra n o Figura 12.

o

H

p irrol A n illo s de cinco átom os

no. S ó lo así se puede estar segu ro de que en un ángulo de la fig u ra en e l que n o se esp ecifica la clase de átom o, existe un átom o d e carbono. A m o ­ do de ejem p lo , en la fig u ra 12 se enuncian dos com puestos, en las form as com p leta y geom étrica. - E n estos dos com puestos, fu ra n o y p irro l, el a n illo consta sólo de cinco átom os, p o r lo que su representación geom étrica es un pentágono. Desde luego, los an illos hexagonales tam bién pueden con ten er átom os que no sean de carbono, y m ás de uno. E n la fig u ra 13 se dan algunos e je m ­ plos. E l im id a zol es un an illo de cin co m iem bros con dos átom os de n itrógen o y la p irim id in a , un a n illo de seis m iem bros con dos átom os de n itró ­ geno. Tam bién es p osib le que lo s átom os de carbono (con o sin otro s átom os que no sean de carb on o) adopten com binaciones de an illos. P o r ejem p lo, un a n illo de benceno y un a n illo de p irr o l pueden com binarse form an d o indol, m ientras que un ani-

1

N :—

h

/

w

•c

C

^ C\ / H H

\ N/ I

H

im id a zo l

pirim idina

Figura 13.

Anillos de dos nitrógenos

lio de pirim idina y un anillo de im idazol pueden com binarse y form ar purina, tal com o se indica en la figu ra 14.

Indol Figura 14.

purina Com binaciones de anillos

69

Éstas no son en m odo alguno las únicas com ­ binaciones posibles que se encuentran en los compuestos orgánicos. En realidad, algunos quím icos han confeccionado catálogos de regular tamaño con las listas de los distintos anillos y combinaciones de anillos que pueden encontrarse, con los nom bres respectivos. A nosotros, sin em bargo, nos bastarán los sie­ te anillos y com binaciones indicados y que repro­ duzco a continuación, sólo en form a geom étrica, en la figu ra 15. Los ocho grupos y siete anillos enumerados' en este capítulo com prenden todas las «sílab as» básicas que necesitamos para servim os del lengua-

H a n illo de benceno

anillo de furano

anillo d e pirrol

H N

anillo d e im idazol

anillo d e p irim id in a

anillo d e indol Figura 15.

70

anillo d e purina U sía de lo s anillos

je quím ico. (S o b re la m archa, añadiré uno o dos elem entos adicionales.) T a l vez e llo les parezca excesivam ente sim ple. ¿Es posible explicar la extensa variedad y com ­ plejidad de la proteína con un «s ila b a rio » tan lim itado? Aunque parezca extraño, así es, com o verem os en seguida.

Capítulo IV LAS PIEZAS DE CONSTRUCCIÓN DE PROTEÍNAS

'

M O LÉCU LAS G IG ANTE S A p rin cip io s d el s ig lo x ix , cuando lo s qu ím icos descu brieron la existen cia d el átom o, la s p rim eras m oléculas qu e estu diaron eran pequeñas, la s «p a ­ labras m on o síla b a s» qu e m encionam os a l p rin ­ c ip io d el cap ítu lo a n terio r. P e ro era im p o s ib le tra ­ ta r las sustancias orgán icas sin trop ezarse co n m o ­ léculas realm en te gigantes. A fortu n adam en te, las m oléculas gigan tes d e ­ b ían su gran tam año únicam ente a la circunstan­ cia d e estar form ad as p o r num erosas m oléculas pequeñas unidas en tre sí com o las cuentas d e un rosario. Fue p osib le tra ta r la m olécu la gran d e li­ beran do las pequeñas m olécu las al d isociarlas de las unidades contigu as. E sta op era ción su ele rea­ liza rse calen tan do la m olécu la gran d e en una so­ lu ción ácida. S i bien la m olécu la gran de, in tacta, es d ifíc il d e estu diar, las unidades pequeñas, una v e z di­ sueltas, se m an ejan con fa c ilid a d . L o s con oci­ m ien tos recogid os m edian te e l estu d io de la es­ tru ctu ra d e las d istin tas piezas, p e rm itie ro n de­ d u cir la estru ctura d e la m olécu la g iga n te en su estado o rigin a l. 75

S i cóhsideram os las pequeñas unidades com o «p ala b ras» y la m olécula grande, una «fra s e », la Situación es parecida a la del que tien e que des­ c ifra r una inscripción en un id iom a extranjero del que sólo posee nociones. S i ha de leer una fra ­ se de carrerilla, puede que no capte el significado; p ero si va descifrando palabra p o r palabra con ayuda de un diccionario, ta l vez llegu e a enterarse. L a prim era gran m olécula, o m acrom olécula, estudiada p o r este sistem a resultó sorprendente­ m ente sim ple. Y a en 1814 se descubrió que e l al­ m idón, calentado en una solución ácida durante un tiem po suficiente, se descom ponía en unidades de estructura idéntica. La estructura era glucosa, un tip o de azúcar cuya m olécula tiene un tam año que es la m itad del del azúcar corriente. Su fó r­ m ula em pírica es CtHuOó, o sea que esta m olécu­ la contiene sólo veinticu atro átom os. Sin em bar­ go, cientos y hasta m iles de estas unidades unidas form an una sola m olécula de alm idón, compues­ ta, p o r lo tanto, p o r cientos de m iles de átom os. L a celulosa, la sustancia endurecedora de la m adera, tam bién se descom pone en glucosa, la m ism a glucosa qu e se encuentra en el alm idón. P ero en la celulosa, las unidades de glucosa están unidas de un m odo distinto a com o lo están las del alm idón. . Con e l tiem po, se observó que otras m acrom oléculas estaban form adas p o r largas cadenas de una sola unidad. E l caucho es buen ejem p lo de ello, ya que está com puesto p or m oléculas de isopreno, un hidrocarburo de cinco carbonos, rela­ tivam ente sim ple. E n e l siglo xx, los quím icos descubrieron la 76

form ft d e fab ricar raacrom oléculas que n o se dan en la Naturaleza. Idearon m étodos para unir mu­ chas moléculas de una unidad determ inada (en algunos casos, de dos unidades) para producir caucho y fibras sintéticas y gran variedad de plás­ ticos. Todas estas m acrom oléculas, naturales y sin­ téticas, tenían en común su gran tam año y su com ­ posición, form ada p or m iles de unidades. Pero, aunque grandes, estas m oléculas carecen de com ­ plejidad. Com prenderán lo que quiero decir, si piensan que un largo h ilo de cuentas, de idéntico c o lo r y tamaño, no tiene nada de com plejo. N o requiere la m enor creatividad enhebrar cuentas; la tira puede ser más larga o más corta, de una sola vuelta o de dos; pero no puede haber más diferencia.

H

í

I

N

C

C

O

H

H gru po am ina

g ru p o ácido ca rb o x ííic o Figura 16.

Glicina

E l tam año tiene sus ventajas, desde luego. Los m iles de unidades de glucosa que se agrupan para form ar la celulosa producen una sustancia dura y fu erte que perm ite al árbol resistir la acom eti­ da del vendaval y nos proporciona un m aterial nada desdeñable para construir nuestros refugios. 77

P o r o tra p arte, la m acrom olécula d e l alm idón es un excelente m ed io para alm acenar la en ergía que contiene la m olécula de glucosa con p erfecta esta­ b ilid ad hasta el m om ento de u tilizarla. Entonces, las m oléculas de alm idón pueden descom ponerse fácilm en te y las unidades de glucosa, introducirse en la corrien te sanguínea. N o obstante, las m acrom oléculas del ordeni del alm idón y la celulosa n o desempeñan una función auténticam ente activa en el proceso de la vida. Son m ateriales pasivos que no actúan sino que reciben la acción de otros. Con la proteín a ocurre algo distinto. É sta es una m acrom olécula que, al igual que e l alm idón y la celulosa, posee gran tam año y está form ada tam bién p o r pequeñas unidades unidas com o las cuentas de un collar. Ahora bien, las m oléculas de proteín a presentan, además, cierta com p leji­ dad. Veam os en qué consiste, en la figu ra 16.

AM INOACIDOS H acia 1820, H . B raconnot, quím ico francés, ca­ lentó la gelatina de proteín a en ácido y obtuvo cristales de un com puesto de sabor dulce. Con el tiem po, éste recib ió el nom bre de g licin a , deriva­ d o de la palabra griega que sign ifica «d u lce». Cuando se estudió la estructura de la m olécu­ la de glicin a se v io que era sim ple. E staba com ­ puesta sólo de d iez átom os, m enos de la m itad de los que form an la glucosa. E n la figu ra 16 se indica la fórm u la de la glicina. Com o puede observarse, la m olécula consiste 78

en un átom o de carbono central, enlazado con un gru po de am inas * p o r un lad o y con un gru po de ácido carb oxílico p o r otro . Los dos enlaces res­ tantes están ocupados p o r átom os de hidrógeno. N aturalm ente, un com puesto que contiene un gru­ p o de am inas y un gru po de ácido carb oxílico puede considerarse un am in oácido y lo es. En realidad, la glicin a es un ejem p lo de am inoácido em inentem ente sim ple. S i to d o hubiese term in ado aqu í, la m acrom olécu la de proteín a no se con sideraría m ás com ­ p le ja que la d el alm idón o cu alqu ier otra. P ero B raconnot fu e más allá, y de los productos de des­ com posición de la proteín a ob tu vo un segundo am inoácido al que llam ó leucina (d e la palabra griega que sign ifica «b la n c o ») p orqu e blancos eran los cristales que obtuvo. A m edida que iban pasando las décadas, otros investigadores descubrían m ás am inoácidos. Y a en 1935 se h alló un nuevo e im portan te am inoáci­ do cuya existencia no se sospechaba, en tre los productos de la descom posición d e las m oléculas de proteína. E stos am inoácidos son, pues, las pie­

* E spero que haya quedado claro que un grupo quím ico puede enunciarse tanto de izquierda a derecha com o de de­ recha a izquierda. P o r ejem plo, un gru p o hidroxilo puede escribirse H O — u — OH. un grupo amina, N H ,— o — H ,N ; y un grupo carboxilo, — C O OH o HOOC— , según se visualice desde delante o desde detrás. L a naturaleza del grupo no varía en relación con el punto d e vista desde el que sea con­ tem plado. E n la figura 16, he escrito la fórm u la d e la glicina «h acia atrás» con respecto a l enunciado hecho en la fórm ula de la m eti lam ina dada en la figu ra 7, p ero e llo n o tiene im­ portancia. Análogamente, si el anillo de benceno, p o r ejem ­ plo, se contem pla desde atrás los enlaces dobles parecen apuntar en e l sentido inverso al de las saetas del relo j. Pero e llo tam poco tiene im portancia.

79

zas de construcción que componen las moléculas de proteína. '• E l núm ero de d iferen tes am inoácidos hallados en los tejid os vivos es bastante grande. Algunos de ellos, n o obstante, n o se encuentran en las m o­ léculas de proteín a sino que se dan en otro s ele­ m entos. O tros se encuentran en las m oléculas de p roteína, p ero sólo en uno o dos casos extraor­ dinarios. S i nos lim itam os a los am inoácidos qu e se en­ cuentran en todas o casi todas las m oléculas de proteína, su núm ero es bastante m an ejab le: 21. Añádase a éstos o tro am inoácido que se encuen­ tra principalm ente en sólo una m olécula d e p ro ­ teína (aunque m uy im portan te) y tenem os un to ­ ta l d e 22. Una de las características que distinguen a la m olécula de proteín a es la de qu e ninguna otra m acrom olécula, natural o sintética, está form ada p o r tantas unidades diferen tes, n i siqu iera p o r la cuarta parte. Para dem ostrar la im portancia de esta caracte­ rística, volvam os al ejem p lo de la tira de cuen­ tas. Im aginen que, en lugar de una serie d e cuen­ tas idénticas les presentan vein tid ós ju egos, todos distintos en tre sí p o r colo r, form a y tam año. En este caso, se puede p rod u cir una gran variedad d e fantásticos dibu jos, sim etrías insospechadas y agradables gradaciones que, de o tro m odo, hubie­ ran sido im posibles. Es lo que ocu rre con la m olécu la de proteína. P ero observem os m ás detenidam ente lo s am i­ noácidos, para v e r cóm o aparecen estas d iferen ­ cias, en qué m odo im prim en su sello en la m olé­ 80

cula d e p ro te ín a y crea n la p o s ib ilid a d d e o b te ­ n e r una v a ried a d p rá ctica m en te in fin ita . P a ra una m a y o r cla rid a d , v o y a p e rm itirm e una fo rm a esqu em ática p ara e l m a n e jo d e las fórm u ­ las estru ctu rales. S e tra ta de a m p lia r e l p rin c ip io g eo m é tric o qu e s irv e p a ra rep resen ta r lo s an illos de átom os, a átom os q u e no fo rm a n p a rte d e an i­ llo s. (E llo supone ir m ás a llá d e lo q u e suelen ir lo s q u ím icos p ro fesio n a les en la sim p lifica ció n de fórm u la s, p e ro n o im p o rta . E s te lib r o no está d irig id o a lo s qu ím icos p ro fesio n a les. Su única fin a lid a d es la de e x p lic a r la base q u ím ica d e la h erencia en la fo rm a m ás sim p le y d irecta y si p ara eso se req u ie re un p o co d e in n ova ción ... pues ¡a d e la n te !) O

II

F igu ra 17.

G lic in a (zigzag)

A l e x p lic a r la fo rm a c ió n d e la s fig u ra s geom é­ trica s in d icad as en la fig u ra 15 d ije q u e en cada án gu lo desocu p ad o h ay un á to m o de carbon o. A n álogam en te, to d o en lace d e ca rb o n o q u e n o se in d ica se su pon e con ecta d o a un á to m o d e h id ró ­ geno. A m p liem os ah ora este p rin c ip io tra za n d o una lín ea en zig za g p ara lo s á to m o s q u e n o fo rm a n an i­ llo . P od em os segu ir su p on ien d o qu e en to d o s los án gu los ( y ex trem o s) n o ocu p ados h ay un áto m o de. carb on o. A dem ás, p od em os a p lic a r tam b ién la 81

regla del «h id rógen o existente aunque n o aparen­ t e » a átom os que no sean de carbono. P o r ejem plo, en la figu ra 17 represento la « fó r ­ m ula en zig za g » de la glicin a que e í le c to r puede com parar con la fórm u la com pleta de la figu ra 16. E l paso siguiente es averiguar en qué se d ife ­ rencian de la glicin a los otros am inoácidos que com ponen la m olécula de proteína. E n general, puede decirse que todos poseen un átom o de car­ bono central al qu e están unidos p o r un enlace un grupo am ino y , p o r otro, un grupo de ácido carboxílico.

se c u n d a ria Figura 18.

Am inoácido (zigzag)

Las diferencias se producen de la siguiente form a : en la glicina, e l tercer y cuarto enlace del átom o de carbono central están unidos a átom os de hidrógeno. En los demás am inoácidos e l ter­ cer enlace está im id o a un átom o de hidrógeno, p ero e l cuarto está unido a un átom o de carbono que, a su vez, form a parte de un grupo de átom os más o m enos com plicado llam ado cadena secun­ daria. La diferencia se aprecia claram ente comparan­ d o la fórm u la general de los am inoácidos en fo r­ m a de zigzag que se indica en la figu ra 18 con la 82

fórm ula en zigzag de la glicina representada en la figu ra 17. Cada am inoácido tiene su p ropia cadena secun­ daria característica, y la diferencia esencial entre los aminoácidos radica en la naturaleza de esta cadena secundaria.

CADENAS SECUNDARIAS Vamos a examinar ahora cada uno de los vein­ tiún aminoácidos que nos ocupan, además de la glicina, con sus respectivas cadenas secundarias, para hacernos una idea de las diferencias existen­ tes. Para empezar, presentaré cada cadena secun­ daria al com pleto, indicando todos los átomos, para que quede constancia. Prim eramente, hay cuatro aminoácidos cuya cadena secundaria es un grupo hidrocarburo. Uno es la leucina, ya mencionada. Los otros tres son: edanina, valitia e isoleucina. Sus cadenas secunda­ rias se indican en la figu ra 19. Dos aminoácidos tienen grupos hidroxilos en las cadenas secundarias. Son: serina y treonina, y sus cadenas secundarias aparecen en la figu­ ra 20. La treonina fue, precisamente, el últim o grupo que se descubrió, en 1935. Los químicos es­ tán casi seguros de que no queda ya ningún otro aminoácido im portante p or descubrir (es decir, un am inoácido que se dé en todas o casi todas las proteínas). Dos aminoácidos contienen grupos de ácido carboxílico en la cadena secundaria. Son e l ácido aspártico y el ácido glutámico. Otros dos amino83

ácidos, muy parecidos a los anteriores tanto p o tr el nombre como por la estructura, tienen un gru­ po amida en lugar del grupo carboxil y son la

i

H---- C ---- H

H-C

i

H

i

i

l

i

cadena secundaria de alanina

C---------H

i

H---- C — - H i I

H cadena secundaria d e vallna

H

V "/ x «

H

C

L

A

I

í

C

C

M

l i >

H i " ~

a

cadena secundarja de leucina

•

H

' r

H

cadena secundaria de isoleucina

Figura 19. Cadenas secundarias de hidrocarburos

aspar agina y la glutamina. Las cuatro cadenas se­ cundarias se indican en la figura 21. Dos aminoácidos contienen grupos amina en la cadena secundaria; uno es la lisina y el otro. 84

kt arginind.^ Ambas cadenas secundarias se indi­ can en la figu ra 22. I H --------C --------O -------H

H --------C ------- H cadena se c u n d a ria de s e rin a

I ^ ca d e n a se cu n d a ria de treonína

Figura 20.

Cadenas secundarias con hidroxilo

Tres aminoácidos contienen átomos de azufre en la cadena secundaria. Uno es la metionina, que tiene un solo átom o de sulfuro entre dos átomos de carbono (com binación que en ocasiones reci­ be el nom bre de tio-éter. O tro,la cisteina, posee un grupo de tio l, mientras que un tercero, la cistina, tiene un grupo bisulfuro. Las tres cadenas secundarias se indican en la figu ra 23. Obsérvese que en el extrem o de la cadena se­ cundaria de la m olécula de cistina existe una fo r ­ mación de aminoácidos. Si las moléculas se enun­ ciaran com pletamente, la figu ra resultante sería la de dos moléculas de cistina conectadas entre sí p o r el grupo de bisulfuro. La m olécula de cistina se descompone fácilm ente en dos moléculas de * La combinación de tres átomos de nitrógeno unidos a un átomo de carbono central que se da en la cadena secun­ daria de la arginina se llama g ru p o guanidp. Éste no interesa de m odo especial para la finalidad de este libro, pero lo men­ ciono para recordar al lector que existen otros grupos de átomos además de los que se indican en el capítulo anterior.

85

cisteín a y con igu al facilid a d se pueden u n ir dos m oléculas de cisteína para fo rm a r una m olécula

h

—

c —

„ —

h

c ------ o

H

C— H

C -----N

»

8 c a d e n a s e c u n d a r ia d e á c id o a sp á r t ic o

N.

c a d e n a s e c u n d a ria d e a s p a r a g in a

I

I

H ----- C ----- H

H ------C -------H

I

I

H ------C -------H

I

/ H

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I

/ H

II

O

O'i

\ 'H

c a d e n a s e c u n d a r ia d e á c id o g lu t á m lc o

c a d e n a s e c u n d a ria d e g lu ta m in a

c

Figura 21.

O—

H

c ------ N

C adenas secundarias con carboxilo y am idas

de cistina. (E llo explica la sim ilitu d de nom bres que, p o r o tra parte, es un inconveniente, ya que 86

-si la letra « e » se om ite o se añade accidentalm en­ te, o sí no se pronuncian los nom bres correcta­ m ente, estos dos am inoácidos se confunden.)

h

C

h

h

c

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

N

H

N

H

H

H

N

H

ca d e n a se c u n d a ria de U sina

H ca d e n a se c u n d a ria de a rgin in a Figura 22.

Cadenas secundarias con aminas

87

Nada m enos qu e cuatro am inoácidos tienen a n illo s en la s cadenas secundarias. D os, fe m la la m • na y tirosina , tien en a n illo s d e b en cen o; uno, e l trip tó fa n o , tien e un a n illo d e in d o l y e l cu arto.

H

i

C

H

H

I

H

I

H ---- C ------- H

I

I

C

S -------H c a d e n a s e c u n d a r ia d e c is t e ín a

S

ri

C

H

I

H c a d e n a s e c u n d a r ia d e m e tio n in a

I H

C

H

I S

I

s

I

-

HC NC

-

H

I

H

H

IC

.

’

O

H

I

H c a d e n a s e c u n d a r ia d e c is t in a

Figura 23.

88

C a d e n a s se cu n d a ria s c o n azufre

r~

hisíidina, tiene un a n illo d e am idazol. Las cadenas secundarias se indican en la ñgu ra 24.

•

I

H— c — H

H— c — H

I

I

i

i

h

I

I

H

O— H

ca d e n a s e c u n d a ria d e fe n ila la n in a

I H— C— H I

r

/

H

/ H

c>

c a d e n a se cu n d a rla d e tiro sin a

I 1

H— C — H

- H

i

_ c \

—c

/

II

c— H h-

H

' H

ca d e n a s e c u n d a ria d e trip tó fa n o Figura 24.

n

C' -

\

.;c — H n/ H

ca d e n a se c u n d a ria de h istid in a

Cadenas secundarlas con anillos

89

P o r ú ltim o, h ay d os am inoácidos cuyas cade­ nas secundarias presentan una p ecu liarid ad . G i­ ran sob re sí m ism as y se unen a l gru po am ino conectado a l átom o de carb on o cen tral. P o r ello.

\ „

N

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c ____ H

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H

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p ro lin a

H

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ssC°

O --- H

V -

X

c / \

H h id ro x ip ro lin a Figura 25.

90

Prolina e hidroxiprolina

en la figu ra 25, se indican com pletas las fórm u las de estos am inoácidos, p ro lin a e h id roxip rolin a . O bsérvese que cada com puesto (p ir r o l) adopta la

O

n

N

v a lin a

N

N

O II

O le u c in a

tre o n in a

is o le u c in a

s e r in a

á c id o a sp á r t ic o

a sp a r a g in a

Figura 2 6 .A L o s veintidós am inoácidos (zigzag)

91

disposición de un a n illo d e p irr o i (s in lo s enlaces d o b le s ) a causa d e esta e x tra fia form a ción d e la cadena secundaria. (P o r c ie rto qu e e l n o m b re « p r o ­ lin a » se d eriva de «p ir r o l».)

c is t e ín a

a rg in in a

c is t in a Figura 26. B

92

fe n lla la n in a

tiro s in a

p ro lin a h id ro x ip ro lin a

Figura 26. C

A p rop ósito, la h id roxip rolin a es el am inoáci­ d o que sólo se encuentra en una p roteín a. É sta es el colágeno, que fo rm a buena parte d el te jid o con­ ju n tivo de los cuerpos anim ales, in clu id o él nues­ tro, p o r supuesto. S e h alla en la p iel, en e l cartí­ lago, en ligam entos y tendones, en lo s huesos, cas­ cos y cuernos. S i se h ierve prolongadam ente, el colágeno se descom pone en una p roteín a fam ilia r. 93

la gelatina, p o r lo que en ésta aparece tam bién la hidroxiprolina. L a lista está com pleta. Y a tenem os los vein ti­ dós am inoácidos, las veintidós «p a la b ra s» que com ponen la «fr a s e » de la m olécula de proteína.* A hora m e parece conveniente dar, a m odo de resu­ men, una lista de todos los am inoácidos con fó r ­ m ula de zigzag, ta l com o aparecen en la figu ra 26. E n ella se aprecian las diferencias estructurales y las afinidades fam iliares. A plicando las reglas que se dan im as cuantas páginas atrás, e l lector puede, si lo desea, con vertir cada uno de estos zigzags en fórm u la com pleta.

DE L A P A L A B R A A L A FRASE Puesto que ya conocem os las «p a la b ra s», vea­ m os cóm o podem os unirlas para form a r una «fr a ­ se». E ste problem a no fu e resuelto hasta la p ri­ m era década del siglo x x , con la prim era dem os­ tración satisfactoria de esta operación, hecha p or el quím ico alem án E m il Fischer. Fischer dem ostró que dos am inoácidos se com ­ binan al unirse el grupo de ácido carboxü ico de uno con el grupo am ino del o tro y que, en e l p ro ­ * Debo señalar qu e la cifra d e veintidós puede conside­ rarse arbitraria. Algunos bioquím icos consideran la asparagina y la glutamina com o simples variedades de los ácidos aspártico y glutámico, p or lo que s ólo distinguen veinte ami­ noácidos distintos. Otros se resisten a contar la hidroxiproli­ na, que n o se da en más proteínas que el colágeno, y otros prefieren contar la cistina y la cisteína com o variedades de una estructura única, con lo que el número de aminoácidos quedaría reducido a dieciocho. De todos modos, y o p refiero adoptar la opinión más liberal y atenerm e a la cifra d e vein­ tidós.

94

m olécula de agua. S i, a fin de dos m oléculas de glicina, la unión se produce ta l com o se indica en la figu ­ ra 27, en la que se m uestra la posición de cada átomo.

g lic in a

a gu a

péptida glic ilg lic in a Figura 27.

Com binación de aminoácidos

Com o puede verse, e l grupo h id roxilo que fo r ­ m a parte del grupo de ácido carboxü ico se com ­ bina con uno de los átom os de hidrógeno del gru­ p o am ino. E l grupo h id roxilo y e l átom o de h idró­ geno juntos form an una m olécula de agua, H 2O, que se elim ina. Con la elim inación d el grupo hi­ d roxilo y del átom o de hidrógeno, a cada m olécu­ la de glicin a le queda un enlace lib re y éstos se unen para form a r la glicilglicina. Estas com binaciones de am inoácidos se lla­ man péptidos, nom bre derivado-de la palabra grie­ ga que sign ifica «d ig e rir», p or haber sido ob te­ nidos p o r prim era vez de proteína sem idigerida. La com binación de átom os que form a la unión

95

en tre los tu m ttá c id o * -(en l a que pueden verse lo s restos d el gru po d e á c id o carb ox ílico y d el gru po am in o o rig in a les) y se llam a con exión péptida. L a g licilg lic in a es un p ép tid o com puesto p o r dos am inoácidos, p o r lo qu e recib e e l nom bre de b ip ép tid o. (E s lo qu e podríam os llam ar una «fr a ­ se de dos p a la b ra s».) P e ro la glicilg licin a tod avía tiene un gru po am ino en un extrem o y un gru po de ácido carboxílipo en e l otro , p o r lo qu e puede com binarse con otro s am inoácidos p o r u n o o p o r am bos extrem os. De este m od o pueden con stru ir­ se trip ép tid os, tetrapéptidos, pentapéptidos, e tc é ­ tera.* N o hay lim ite en e l núm ero de am inoácidos que pueden unirse p o r con exión péptida. U n pép­ tid o com puesto de un núm ero d e am inoácidos no determ inado se llam a p o lip é p tid o , ya que e l p re

g lic in a

g lic in a

g lic in a

g lic in a

u n ió n u n ió n u n ió n p é p tid a p é p tid a p é p tid a

Figura 28.

g lic in a

u n ió n p é p tid a

u n ió n p é p tid a

Pollglicina

' Los p re fijo s «b i-», «tri-», «te tra -» y «p en ta-» se derivan de los p re fijo s griegos que significan «d o s », «tre s », «c u a tro » y «cin co». Son numerales qu e se utilizan con frecuencia en la nom enclatura quím ica. E l com puesto octan o norm al indicado en la figu ra 5 tiene och o ¿tom os d e carbono y e l p re fijo «o c t-» se d eriva del griego «o ch o».

96

fijo « p o li»«e deriva de la palabra griega que signi* * f i e * «m uchos». Supongam os qu e deseam os enunciar un gran núm ero de m oléculas de glicin a unidas p o r cone­ xiones péptidas. L a figu ra en zigzag que obtenem os es la que se indica en la figu ra 28. E ste p olip ép tid o, form ado únicam ente p o r uni­ dades de glicina, es la poliglicin a . Una m olécula de p oliglicin a no es más com p leja n i tien e m ayor versatilid ad de tip o p roteín ico que cu alqu ier otra m acrom olécula form ada únicam ente p o r unidades de una o dos variedades. Un p olip ép tid o natural form ado en su m ayor p arte p o r glicin a y alanina es la seda, cuya fa lta de com p lejid ad es evidente. L a seda es u tilizada p o r los organism os que la form an únicam ente para aprovechar la fuerza de su fib ra. Es p oco más que una especie de versión anim al de la celulosa. O tro ejem p lo es la fib ra a rtificia l nilón. Ésta está form ada p o r dos unidades, una es un ácido bicarb oxílico (una cadena de carbono con un gru­ p o dé ácido carboxílico en cada extrem o ) y la otra, una biam ina (cadena de carbono con un gru­ p o am ino en cada extrem o). Las unidades están unidas p or conexiones péptidas y lo qu e se ap re­ cia del n ilón es, tam bién, principalm ente, su resis­ tencia. ‘ « P o r lo que se refiere a la versatilidad, hemos de tener en cuenta que una cadena polipéptida natural casi siem pre está form ada p o r 22 unida­ des diferentes. Esta cadena p olip ép tid a d ifie re de la p oliglicin a en que las cadenas secundarias apa­ recen a intervalos periódicos. C om o puede verse en la figu ra 29 que representa esta cadena poli97

péptida en zigzag, las cadenas secundarias (qu e llevan el sím bolo X ) parten alternativam ente en sentidos opuestos. L a cadena p olip ép tid a consta, pues, de dos par­ tes : 1 ) una m édula de glicin a que recorre la cade­ na en toda su longitud, y 2 ) varias cadenas se­ cundarias que parten de dicha médula. Puesto que lo único que nos interesa son las características de la m olécula de proteínas que le dan su versatilidad, pasarem os p o r alto e l rasgo com ún y nos concentrarem os en las cadenas se­ cundarias. Los detalles de la m édula de p oliglicina (ah ora que ya los con ocem os) carecen de im ­ portancia y , para nuestro o b je tiv o , podem os re­

z ig z a g

c a d e n a s ia to rale s

V *-{

^

X

X

X

J ____I___L (sim p lific a d a )

m é d u la d e p o lig lic ln a Figura 29.

La cadena polipéptida

presentarlos perfectam ente p o r una sim ple línea recta. Para una m ayor sim p lificación , harem os p a rtir todas las cadenas secundarías de un m ism o lado. L a figu ra 29, que m uestra la cadena de poli98

péptidos en form a de zigzag, tam bién ha sido sim­ p lifica d a de este m od o para fa c ilita r la com pa­ ración. A m enudo, la m olécula de p roteín a consiste sólo en una cadena de p olipéptidos. P e ro tam bién puede tener dos o tres cadenas de p olipéptidos, unidas p o r m oléculas de cistina. S i observan la fórm u la de la cistina de la figu ra 23 verán qu e en am bos extrem os hay sendas com binaciones de am inoácidos. E sto qu iere d ecir que un extrem o am inoácido puede form a r p arte de una cadena polip ép tid a y el o tro , fo rm a r p arte de otra , com o puede verse en la fórm u la sim plificada en la figu ­ ra 30. E n este caso, las cadenas p olipéptidas están unidas p o r una conexión de bisulfuro. c a d e n a p o lip é p l

A

r r r 1V u nX ió n d e b isu lfu ro X

i

í

X

r c a d e n a p o lip é p tid a B c is t in a

Figura 30.

C adenas polipéptidas combinadas

L a conexión de bisu lfu ro se disu elve fácilm en­ te m ediante tratam ientos quím icos que dejan in­ tactas las cadenas p olipéptidas en sí, de m anera que los qu ím icos pueden estudiarlas p o r separa­ do. Una vez Fisch er hubo determ inado la natu­ raleza de la m édula de p oliglicin a y resuelto esta 99

p a r te á á p rob lem a , lo a q u ím ico s p u d ieron con­ cen tra rse en la d isp o sició n d e la s cáden as secun­ d a ria s, a sp ecto d el q u e tam b ién n osotros n os ocu­ parem os a con tin u ación .

Capítulo Y FIGURA DE LA PROTEÍNA

N Ú M E R O Y O RD E N Las cadenas secu ndarias presen tan u n am p lio esp ectro d e p rop ied ad es. A lgu n as, com o la s d e la tiro s in a y e l trip tó fa n o , son gran des y abultadas, m ien tras qu e otra s, com o la s de la alan in a y la serina, son pequeñas. H a y cadenas secundarias, co m o la de la treon in a, qu e lle v a n un g ru p o h id r o x ilo y la s h ay que n o lo lleva n ; algunas, com o las d el ácid o a sp á rtico y e l á c id o glu tám ico, suelen lle v a r una ca rga e lé ctric a n egativa, m ien tras qu e otra s, com o las de la lisin a y la argin in a, lleva n una ca rga e lé c tric a p o s itiv a . L a m a yo ría n o lleva n ca rga e lé c tric a alguna. E llo hace que una m olécu la de p ro te ín a d eter­ m in ada puede p resen ta r una d isp o sició n de cade­ nas secu ndarias q u e en un p u n to aparezcan abul­ tadas y en o tro n o, qu e a qu í d istrib u yan cargas eléctrica s n egativas, a llí las d istrib u yan p o sitiva s y m ás a llá n o d istrib u yan ninguna. D esde este pu n to d e ob serva ción , p od em os im a­ g in a r có m o h a b ría d e a ctu a r u n an ticu erp o. P o ­ d ría con stru irse una p ro te ín a con una d isp o sició n de cadenas secu ndarias q u e se a ju sta ra a la dis­ 103

posición d e las cadenas secundarias de una p ro teína extraña, un virus o un punto clave de una superficie bacteriana. La coincidencia puede con­ sistir en e l encuentro de una carga eléctrica nega­ tiva del anticuerpo con una carga positiva de la m olécula invasora, p o r atracción mutua; o bien una protuberante aglom eración de átom os en una m olécula puede encajar con una hendidura de otra. En cualquier caso, anticuerpo y presa se unen firm em en te y su com binación resulta ino­ fensiva para e l cuerpo. Desde luego, un anticuer­ p o determ inado con una configuración ajustada exactamente a una especie de m olécula determ i­ nada no encajará con otra (o , en to d o caso, sólo encajará con las que sean m uy parecidas a su pareja). Tam bién podem os im aginar cóm o actúa una enzima. Una enzim a determ inada p od ría tener las cadenas secundarias configuradas d e ta l m odo que dos elem entos quím icos de reacción recíproca vayan a insertarse en receptáculos contiguos. Al ser puestos en contacto p o r un interm ediario se producirá la reacción y el lu gar quedará disponi­ ble para otra pareja, de m anera qu e la reacción proseguirá a un ritm o más ráp ido d el qu e se desorroliaría sin la enzima. Naturalm ente, una en­ zim a producida para un tip o de reagente n o en­ cajará con otro. P o r lo tanto, para com prender la acción de una proteína es necesario conocer la configura­ ción de todas sus cadenas secundarias. E llo no qu iere d ecir que este conocim iento dé la respues­ ta a todas las preguntas; probablem ente, n o será así. Pero, sin conocer la configuración, será to ­ 104

talm ente im posible descubrir ta l respuesta. De manera que e l estudio de la configuración es im ­ prescindible. L a configuración puede abordarse en tres eta­ pas. Dado que en los capítulos anteriores h e uti­ lizado el ejem p lo del lenguaje corriente para expli­ car la estructura molecular, v o y a seguir utili­ zándolo para presentar estas tres etapas. L a prim era consiste en averiguar qué unida­ des de aminoácido contiene una m olécula de proteína determinada. E llo equivale a determ inar cuá­ les son exactamente las palabras que componen una frase. Evidentemente, si cambiamos una pa­ labra, e l significado de la frase puede cambiar. Por ejem plo, en las frases: Juan sólo golpeó a Jaime en un o jo y Juan sólo golpeó a Jaime en un sueño la sustitución de una palabra clave cam bia todo el sentido. Una vez se conocen todas las unidades de ami­ noácidos, la segunda etapa consiste en determi­ nar con exactitud el orden en que cada unidad está colocada en la cadena polipéptida. E llo equivale a determ inar el orden en que cada palabra está colocada en la frase. E l signifi­ cado de la frase puede m odificarse si cambiamos el orden de colocación de las palabras aunque no sustituyamos ninguna. Veam os: Juan s ólo golpeó a Jaime en un o jo , Juan golpeó sólo a Jaim e en un o jo . S ólo Juan golpeó a Jaime en un o jo , Juan golpeó a Jaime s ólo en un o jo , etcétera. 105

Finalmente, existe una tercera posibilidad de cambio que requiere una breve explicación. La cadena polipéptida puede doblarse dentro de ciertos límites. La cadena se mantiene doblada por efecto de una leve fuerza eléctrica que se ge­ nera cuando un átomo de hidrógeno se encuen­ tra entre dos átomos de nitrógeno próximos entre sí, o entre dos átomos de oxígeno o entre un áto­ mo de oxígeno y otro de nitrógeno. Este enlace se llama enlace de hidrógeno por la función clave que desempeña el átomo de hidrógeno. Mientras los enlaces de hidrógeno se mantie­ nen intactos la cadena polipéptida mantiene su posición curvada y las cadenas secundarias se en­ cuentran en las posiciones adecuadas para que la molécula actúe como anticuerpo, enzima o cual­ quier otro elemento específico. Cualquier forma de trato duro, incluso un li­ gero calentamiento, es suficiente para romper los débiles enlaces de hidrógeno. Cuando esto ocu­ rre, la cadena polipéptida se deforma. Dado que la disposición de las cadenas secundarias se ha deshecho, la molécula de proteína no puede se­ guir desempeñando su función. A ello se debe la facilidad con que pueden desnaturalizarse la ma­ yoría de las proteínas y el carácter permanente de tal desnaturalización. La tercera etapa de la indagación de la confi­ guración de la proteína es la determinación de la curvatura de la cadena polipéptida. En el estu­ dio de la frase gramatical, esta etapa consistiría en determinar el contexto exacto de la asevera­ ción. Y es que el significado de la frase:

106

Juan sólo golpeó a Jaime en un o jo varía según se trate de dos jóvenes boxeadores que estén peleando en e l ring o de dos maduros catedráticos de una facultad universitaria durante una reunión del claustro. Después de que Fischer estableciera la natu­ raleza de la médula de poliglicina, los químicos siguieron estudiando el problem a de la configu­ ración de la proteína durante toda una genera­ ción, sin realizar avances notables. Como queda dicho, hasta 1935 no se descubrió e l últim o aminoácido. Pero ni siquiera conocien­ do todos los aminoácidos se pudo resolver ni la prim era fase del problem a. Una m olécula de proteína podía ser descompuesta fácilm ente en todos los aminoácidos que la integraban; p ero en los años treinta los químicos no daban con el modo de clasificar la mezcla. En realidad, en 1944 aún no se sabía con exactitud e l número de cada ami­ noácido que se encontraba en una determinada molécula de proteína y las soluciones a la segun­ da y tercera fases del problem a estaban todavía fuera del alcance de la vista. Pero en 1944 una hoja de papel absorbente vino a señalar el camino.

L A CONFIGURACIÓN. VERSIÓN PEQUEÑA Aquel M artin y diante la dos de la

año, dos bioquímicos ingleses, A. J. P. R. L. M. Synge idearon una técnica me­ cual una mezcla de aminoácidos, obteni­ descomposición de una m olécula de pro107

teín a determ in ada, se c o lo ca b a sobre un filtr o d e p ap el p o ro s o y se d e ja b a secar. E l b o r d e d e l pap el se su m ergía .después e n un líq u id o o rg á n ic o que avanzaba len tam en te p o r las fib r a s p o r e fec to d e la cap ilarida d. (S i in trodu cen la p u n ta d e un se­ cante en un vaso d e agua p o d rá n v e r p o r sí m is­ m os la acción d e la ca p ila rid a d .) Cuando e l líq u id o pasaba p o r e l lu g a r en el qu e s e h a bía secado la m ezcla d e am in oácidos, éstos era n arra strad os p o r él. C ada am in oácid o se desplazaba a d istin ta v e lo c id a d y , a l c a b o de p o c o tiem p o , cada uno se h abía sep a rad o d e los dem ás. Después, n o fu e d ifíc il en co n tra r los m é­ todos p ara id e n tific a r cad a am in oácid o, a l ocu par éstos sus p osicion es características en l a h o ja de p ap el y p ara ca lcu la r la can tid a d existen te de cada u n o de ellos. E sta técnica, llam ad a d e c ro m a to g ra fía d e l pa­ p e l, p e rm itió la exacta id e n tifica c ió n d e to d o s los am in oácidos existentes en una p ro te ín a d eterm i­ nada. A s í se h abía resu elto la p rim e ra fase d el p rob lem a y a p a r tir de los ú ltim os años de la dé­ cada de los 40 se rea liza ro n m uchas id e n tific a ­ ciones exactas de los am in oácidos d e una' u otra p roteín a.* A q u élla fu e s ó lo la p rim e ra etapa. P e ro in m e­ d iatam en te se a c o m e tió la segunda. T a n p ro n to c o m o se d e s a rro lló la técnica M artin -S yn ge, o tro b io q u ím ic o b ritán ico, F re d e ric k Sanger, ata có el p rob lem a d el o rd en de los am inoácidos. Su m é to d o con sistía en d esco m p o n er s ó lo en p a rte la m olécu la de proteín a. E n lu ga r de redu• P o r el d e s a rro llo d e esta técnica, M a rtin y S y n g e re­ c ib iero n el P re m io N o b e l d e Q uím ica d e 1952.

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á r la a sus aminoácidos, la d ivid ía en pequeñas porciones de péptidos, con dos o tres aminoácidos cada una. Separaba los pequeños péptidos p o r el sistema de crom atografía d el papel, aislándolos y trabajando con cada uno p o r separado. Luego, fu e deduciendo el orden exacto de los aminoáci­ dos de cada pequeña cadena de péptidos (tarea delicada pero no im posible) y, poco a poco, fu e reconstruyendo el orden en el que todos los ami­ noácidos debían de figu rar en las cadenas largas, de manera que, al volver a descomponer éstas, fueran apareciendo precisamente los péptidos d e ­ tectados y no otros. En 1953, Sanger había averi­ guado el orden de colocación de los am inoácido* de una molécula de proteína llam ada insulina * E l bioquím ico norteamericano Vincent du Vigneaud utilizó los métodos de Sanger para descu­ b rir la estructura de otras dos moléculas de p r o ­ teína, la oxitocin a y la vasopresina. Estas resul­ taron ser bastante simples, p o r lo que Vigneaud pudo ir más a llá que Sanger: unió aminoácidos p o r el m ism o orden en que los extrajera en sus ex­ perimentos anteriores. De este m odo, pudo p ro ­ ducir moléculas sintéticas que poseían todas las propiedades y realizaban todas las funciones de las proteínas naturales. Ésta fu e la demostración concluyente de que las teorías sobre la estructura de las proteínas desarrolladas desde Fischer acá eran porrectas.** * P or esta labor, Sanger recibió e l Prem io N obel de Quí­ mica de- 1958. * * E l descubrimiento fue tan sensacional que Du Vigneaud recibió el N obel de Química en 1955, el mismo año d e su trabajo, mientras que Sanger tuvo qu e esperar tres años el prem io a su labor, mucho más amplia.

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A sí qu edaba resu elta la segunda fa s e d e l p r o ­ b lem a. D eten gám on os un m o m en to en este punto p ara exa m in a r lo s resultados. P od em os em p ezar p o r la vasopresina, una d e las d os p roteín as sinte­ tizadas p o r D u Vigneaud. L a vasop resin a p erten ece a la clase d e com ­ puestos llam ad os h orm on a s. E s p ro d u cid a p o r un ó rga n o esp ecífico (e l ló b u lo p o s te r io r de la glán­ du la p itu itaria, un tro c ito d e te jid o situ ad o en la base d el c e re b ro ) y descargada en la c o rrie n te san­ guínea. A l igual qu e todas las horm onas, la v a s o ­ presina, en pequeñas cantidades, a fe c ta p ro fu n ­ dam en te la qu ím ica co rp o ra l. P o r e je m p lo , aument ir o s in a

a r g in in a F igu ra 31. . V a so p re sin a de buey

ta la p resión sanguínea p e ro tam b ién re g u la e l fun­ cion am ien to de los riñones, im p id ien d o una, exce­ siva p érd id a d e agua. Cuando e l cu erp o produ ce una can tidad in su ficien te de vasopresin a se o ri­ gin a una en ferm ed ad llam ada diabetes insipidus. L a p erson a qu e la p ad ece o rin a m ucho y sufre una sed constante. 110

Du Vigneaud descubrió qu e la vasopresina o b ­ tenida de los bueyes consta de och o am inoácidos distintos, a saber, p o r orden a lfa b ético : 1) arginina, 2) cistina, 3) asparagina, 4 ) fenilalanina, 5) glicina, 6) glutamina, 7) p rolin a y 8 ) tirosina. A l determ inar e l orden de colocación real, Du Vigneaud descubrió que la m olécula de cistina te­ nía sus dos porciones de am inoácidos en distintos puntos de la cadena polipéptida, p o r lo que una parte de ésta aparecía doblada sobre sí mism a en un m edio rizo, que mantenía f i j o la conexión de bisulfuro. Descubrió tam bién que la m olécula de glicina se encontraba en e l extrem o liso y que el grupo carboxilo de este am inoácido había sido convertido en grupo am ida. (L a glicin a así m od ifi­ cada se llam a glicinam ida.) L a figu ra 31 m uestra la fórm u la sim plificada de la vasopresina de buey en la que sólo se ven las cadenas laterales. Otra horm ona producida p o r e l lóbulo poste­ r io r de la glándula pituitaria es la oxitocina, la segunda proteína sintetizada p o r Du Vigneaud. Tam bién ésta se com pone de ocho aminoácidos, seis de los cuales son idénticos a seis de la vaso­ presina. P ero en lugar de la fenilalanina que s$ encuentra en la vasopresina, la oxitocina tiene una isoleucina y, en lugar de la arginina de la vasopre­ sina, una leucina. En la figura 32 se indica la fórm u la sim plificada de la oxitocina. Si se com paran las fórm ulas de las figuras 31 y 32, se advierte que la única diferencia es que la m olécula de oxitocina carece de un an illo de ben­ ceno y de una com binación de guanidos de tres nitrógenos que existen en la vasopresina. 111

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T a l v e z ésta d iferen cia ñ o p a rezca m u y im* portan te, p e ro es trascendental en lo q u e se r e ­ fie r e a la función; L a oxitocin a n o aum en ta la presión sanguínea c o m o la vasopresina, n i sirve com o ésta p ara e l tratam ien to d e la diabetes insipidus. L a oxitocin a p rod u ce la con tracción de los m úsculos blandos, especialm ente los d e l ú tero, p o r lo que sirve p ara p ro v o c a r e l p arto. (A ú n n o se sabe p o r qu é la va ria ción d e dos cadenas laterales determ in a funciones tan diversas.) tlr o s in a

Figura 32.

O xitocina d e buey

D e todos m odos, e l cam b io d e dos cadenas s e ­ cundarias de un to ta l d e och o supone y a una a lte ­ ración notable. £ s p osib le in tro d u cir cam bios más pequeños sin a fe c ta r la función. P o r e jem p lo , en la vasopresin a qu e se ob tien e d e los cerd os, siete de las och o m oléculas son idénticas a las d e la vasopresin a de los bueyes y están dispuestas en el m ism o orden. L a única d iferen cia está en que en lu ga r de la argin in a qu e se encuentra en la v a ­ sopresina d el buey, la d e l cerd o tien e una lisina. P a ra m ostra r la diferencia, bastará enunciar só lo la «p a r te d e la c o la » d e la m olécu la, es d e c ir la 112

rparte que queda fuera del riso de cástina. S e in­ dica en la figura 33. Com o pueden observar, esta diferencia no es en absoluto tan grande com o la existente entre la vasopresina y la oxitocina. La vasopresina del

glicln a m ld a U sina Figura 33.

Vasopresina do cordo (parte de la -cotaO

cerdo retiene e l anillo de benceno que se ha p er­ dido en la oxitocina. Además, no ha perdido los tres átom os de nitrógeno presentes en la vaso­ presina de buey y que están ausentes en la oxito­ cina. A l sustituir una lisina p o r la arginina, la ca­ dena secundaria de la vasopresina del buey aún conserva un átom o de nitrógeno en la cadena se­ cundaría. La diferencia es lo bastante pequeña com o para no afectar la función de la molécula. Por lo tanto la vasopresina, tanto si es de buey com o de cerdo, aliviará al paciente aquejado de diabetes insípidas. Podemos establecer una com paración entre 113

las tres pequeñas m oléculas horm onales y las tres frases siguientes: 1. 2. 3.

Juan L óp ez pegó a M aría P érez en un o jo . Juan L ó p ez besó a M aría P érez en un o jo . Juan L ó p e z besó a M aría P érez en los ojos.

L a palabra d e la frase 1.a, qu e es sustituida en la fra se 2.a cam bia totalm en te e l sentido, y Juan L óp ez pasa de b ru to a cariñoso. Adem ás, en uno y o tro caso, la reacción de M aría P érez sería dis­ tinta. Las dos prim eras frases representan, pues, la d iferen cia existente en tre la oxitocin a y la vasopresina. L a tercera frase con tiene una lig era d iferen cia — «lo s o jo s »— respecto a la segunda, p e ro e l sig­ n ifica d o no cam bia. A lg o parecido sucede con la vasopresina del buey y la vasopresina d el cerdo. De todos m odos, en tre la segunda y la tercera frase h ay tam bién cierta diferencia, aunque el sentido general n o varíe. Y es q u e la fra se 3.a da a en ten der qu e ha habid o p o r lo m enos dos besos, lo cual supone la existencia de una relación más íntim a o una situación más apartada d e la gente. Análogam ente, la m aquinaria qu ím ica d e la pitu i­ taria d el cerd o produce algo d iferen te d e lo que se ob tien e de la p itu itaria del buey y aunque las funciones de las m oléculas sean prácticam ente iguales en una y otra especie, la m aqu in aria quí­ m ica qu e las produ ce ha de ser claram en te dis­ tinta.

114

L A CONFIGURACIÓN. VERSIÓ N GRANDE N o se puede pasar p o r alto una diferencia de estructura, n i siquiera al nivel más rudim entario, aunque no im pliqu e diferencia en la función. Pue­ d o dem ostrarlo claram ente refirién dom e de nue­ v o a la insulina, la proteína con la que se descu­ b rió la segunda fase del problem a de la estructura. L a insulina es un horm ona form ada p o r célu­ las del páncreas. E lla controla e l m ecanism o quí­ m ico d el cuerpo encargado de descom poner el azúcar para aprovechar su energía. La insuficien­ cia de insulina disminuye e l ritm o de descompo­ sición del azúcar y se origina la grave enferm edad llam ada diabetes m ellitus. L a m olécula de insulina tiene una estructura mucho más com pleja que la de la oxitocina o la vasopresina. Contiene un par de cadenas polipéptidas unidas entre sí p o r dos conexiones de bisulfuro. Las dos cadenas son la cadena A y la cade­ na B. L a cadena A está com puesta p o r 26 ami­ noácidos y la cadena B, p o r 30. Una parte de la cadena A adopta la fo rm a de rizo p o r efecto de la conexión bisulfuro de una m olécula de cistina, com o ocurre tam bién, según hemos visto, en la vasopresina y la oxitacina. Dentro de este rizo se encuentran, además de la nlolécula de cistina, otros tres aminoácidos. Se han estudiado las moléculas de insulina ob­ tenidas del páncreas de diferentes especies ani­ males y, salvo en e l rizo de bisulfuro, todas ellas son idénticas. Cualquier alteración de los am ino­ ácidos o de su orden de colocación (fu era del rizo de bisulfuro pueden variar, tanto de naturaleza 115

c o m o en é l ord en o coloca ción , según la s espa­ cies, sin q u e qu ede afectad a la fu n ción d e la insu­ lina. L o s cam b io s se indican en la fig u ra 34.S i estos cam bios n o afectan a la fu n ció n d e la insulina, ¿cu ál es su im p ortan cia? S í, pueden te ­ n e r un in terés te ó ric o p ara e l qu ím ico qu e estudia las proteínas; p e ro , ¿tienen im p ortan cia p rá c tic a ? Aunque p arezca extrañ o, así es. Buey

J

A a la n in a

s e r in a

C o rd e ro j

A

a la n in a

C e rd o

A

v a lin a

g lic in a

Ás

j

0

tr e o n in a •

s e r in a

C a b a llo

Figura 34.

is o le u c in a

A

A . tre o n in a

v a lin a

g lic in a

/

is o le u c in a

Las d istin ta s in su lin as

G eneralm ente, la insulina n o e je rc e una gran influen cia en la fo rm a c ió n d e anticuerpos. A fo r ­ tunadam ente, y a qu e los en ferm os d e diabetes m e llitu s necesitan inyecciones periódicas d e insu­ lin a y sería desastroso q u e su organ ism o rea ccio­ nara violen tam en te a la p roteín a «e x tra ñ a » p e ro indispensable. S in em b argo, h ay in d ivid u os que 116

desarrollan anticuerpos contra l á tnauliúa nado vacuno y no toleran las inyecciones. E n.es­ tos casos, generalmente basta con cam biar a la insulina obtenida del páncreas del cerdo. La d ife ­ rencia de dos aminoácidos entre una cincuentena no basta para m odificar la función de la insulina, pero crea la necesidad de o tro anticuerpo. E l an­ ticuerpo desarrollado contra la insulina del buey no actúa contra la insulina del cerdo y e l pacien­ te puede ser tratado de nuevo sin p eligro de reac­ ción adversa. T al vez les parezca ahora que la disposición de los aminoácidos es relativamente intrascendente. En la vasopresina, se puede cam biar un o de ocho aminoácidos (12*4 p o r cien to) sin que se altere su función. Y , en la insulina, tres de unos cin­ cuenta (6 por ciento). Parece haber un poco de flexibilidad. Un poco, sí; pero, a veces, n i eso. Examinemos la hemoglobina, la proteína por­ tadora de oxígeno de los glóbulos rojos que he mencionado ya una o dos veces. Las moléculas de hemoglobina normales que se dan en casi todos los seres humanos se llaman, colectivamente, he­ m oglobina A. H ay ciertos individuos (afortunadamente, p o­ cos) cuyo cuerpo fabrica una hem oglobina anor­ mal. Entre estas hemoglobinas anormales pode­ mos citar la hem oglobina S y la hem oglobina C. Las hemoglobinas anormales no absorben e l oxí­ geno con tanta eficacia com o la hem oglobina A. Además, en determinadas circunstancias, las h e­ moglobinas anormales deambulan com o cristales dentro del glóbulo ro jo , tensando, deform ando y 117

dañando la m em brana. P o r lo tan to, los glóbulos ro jo s qu e contienen una hem oglobina an orm al no duran tanto com o los glóbulos ro jo s norm ales. Los individuos que fabrican h em oglobina A ad e­ más de las versiones C y S aún pueden resistir bastante bien; los qu e sólo fabrican hem oglobina S o hem oglobina C están condenados a m o rir pronto. A h ora bien, la m olécula de hem oglobina es diez ,veces m ayor qu e la de insulina. Contiene un total de 574 am inoácidos, distribuidos en tre cua­ tr o cadenas polipéptidas unidas en tre sí p o r cone­ xiones de bisulfuros y atracción eléctrica. Dos de ellas son «cadenas a lfa » idénticas, cada una con 141 am inoácidos; las otras dos son «cadenas b e ta » idénticas, con 146 am inoácidos cada una. • En un lu gar determ inado de estas cadenas (y de su p a re ja ) hay un ácid o glutám ico. S i e l ácido glutám ico de cada cadena se con vierte en valina, la m olécula pasa a ser de hem oglobina S en lugar de hem oglobina A ; si e l ácido glutám ico se con­ vie rte en lisina, la m olécula pasa a ser de hem oglo­ bina C. Los restantes quinientos y p ico am ino­ ácidos (p o r lo que ha p od id o averiguarse hasta ahora) m antienen inalterables su naturaleza y su posición. P o r lo tanto, a l parecer, la con dición de dos am inoácidos de un total de 574 de una p r o ­ teína determ inada representan la d iferen cia entre una vid a sana y una m uerte prem atura. Es, pues, indudable, qu e la con figuración de la p roteín a es de capital im portancia — hasta e l m en or deta­ lle— y que n o h ay m argen para cam bios. Desde 1953, en que se resolvió la segunda fase del problem a, se ha aplicado ésta a varias otras 118

proteínas, algunas de ellas más com plejas. L a ca­ dena polipéptida de la vasopresina y la oxitocina tiene sólo ocho am inoácidos; la más la rga de las cadenas de la insulina, sólo treinta. P e ro en 1960 se averiguó la disposición exacta d e todos los am inoácidos contenidos en una enzim a llamada ribonucleasa que tiene una cadena com puesta p o r 124 am inoácidos mantenidos en una com plicada serie de rizos p o r nada menos que cuatro cone­ xiones de bisulfuros que se extienden de uno a otro punto de la cadena. Es indudable que, disponiendo de una canti­ dad suficiente de una proteína en estado puro y de tiem po y paciencia, se puede averiguar la configu­ ración de cualquier m olécula de proteína, p o r lo menos hasta la segunda fase. ¿ Y la tercera fase? ¿ Y la curvatura de la cade­ na polipéptida a una configuración tridim ensio­ nal específica, sujeta p o r conexiones de hidróge­ no? Tam bién esto se ha conseguido. A finales de la década de los 50, el quím ico inglés John C. Kendrew , que trabajaba con el qu ím ico de origen austríaco M ax Ferdinand Perutz, estudió una proteína llam ada m ioglob in a , que se encuentra en los músculos. Al igual que la hem oglobina, tiene la propiedad de p orta r oxígeno; p e ro su tamaño es de la cuarta parte aproxim adam ente del de la hem oglobina. Está form ada p o r una cadena péptida y un grupo hem o que contiene hierro, m ientras que la hem oglobina tiene cuatro de ca­ da. Ahora bien, la única cadena polipéptida de la m ioglobina, com puesta p o r unos 150 aminoácidos, no es una de las cadenas de la hem oglobina que se 119

haya d espren dido, s in o q t ie t f e » « o ¿ ertw ief l t f i to ta lm en te distinta. : K e n d re w som etió cristales d e m io g lo b in a a es­ tudios de d ifra c c ió n p o r ra yo s X (d e esto tra ta ré en o tro ca p ítu lo ) y , p o co a p o co , pu d o d eterm in ar la posición exacta d e cad a una d e sus partes. E n 1959, p u d o con feccion a r un m od elo trid im en sio ­ nal d e la p roteín a, en e l q u e cad a u n o d e sus á to ­ m os, hasta su ún ico á to m o d e h ie rro , ocupaba su posición exacta.* Es de suponer que, con una cantidad suficien­ te de p roteín a cristalin a pura, tiem p o y paciencia, h a de p o d e r con stru irse e l m o d e lo d e cu alqu ier proteína. E n resumen, las tres fases d e l p r o b le ­ m a de la con figu ración d e la p roteín a pueden considerarse resueltas, p o r lo m enos, en p rin cip io. D esde luego, aún qu eda m ucho p o r hacer. N o obstante, en la actualidad, los qu ím icos especia­ lizados en e l estu dio d e la p ro teín a se sienten o p ­ tim istas y , si tenem os en cuenta los enorm es avances realizados durante los v ein te ú ltim os años, desde la in trodu cción d e la cro m a togra fía d e l pa­ pel, ¿quién puede reprochárselo?

L A C O N F IG U R A C IÓ N Y SU P O T E N C IA L A p esar de todo, ¿no p o d ría ser qu e estuviéra­ m os desencam inados en nuestros planteam ientos respecto a la con figu ración de la p roteín a? Aun ad m itien d o qu e la m o d ifica ció n de un am inoácido aqu í y a llá p ro vo q u e una gran diferencia, ¿existe * K e n d re w y P e n itz recib iero n p o r este tra b a jo e l P rem io N ob el d e Q uím ica en 1962.

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realm ente e l núm ero de m odificaciones suficiente p ara explicar la in fin ita variedad, d e enzimas, an­ ticuerpos, etc., que se han observado? Desde lue­ go, volvien d o al consabido ejem p lo d el lenguaje, en un idióm a puede form arse una in fin ita v a rie ­ dad de frases. P ero las frases se construyen a base de un vocabulario que consta d e unas dece­ nas de m iles d e palabras. ¿Qué podríam os hacer con el español, p o r ejem plo, si sólo dispusiéramos de veintidós palabras? P o r otra parte, en español, las palabras sólo pueden enlazarse según ciertas reglas. Podemos decir: L a vaca com e hierba verde, p e ro n o : V e r­ de vaca hierba la com e. P o r lo menos, ésta no es una frase correcta. P ero en las moléculas de proteínas los am ino­ ácidos pueden colocarse en cualquier lugar, si­ guiendo cualquier orden. Vam os a v e r lo que esto significa. Para em pe­ zar, tom arem os una sim ple proteína de ocho ami­ noácidos, com o la vasopresina o la oxitocina. N u­ m erarem os los ocho am inoácidos: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8. ¿Cuántas combinaciones podem os hacer con estos ocho am inoácidos? O, lo qu é es igual, ¿cuántas cantidades distintas podem os escribir con estas ocho cifras? E n prim er lugar, se puede em p ezar la cantidad con cualquiera de las ocho cifras. A qu í tenemos ya ocho posibilidades. E l segundo d ígito puede ser cualquiera de los siete restantes m ultiplicado por estos ocho. E llo supone un total de 8 x 7 , es decir, 56, sólo p ara los dos prim eros dígitos. La tercera c ifra puede ser cualquiera d e las seis restantes p o r 56, p o r lo que el total de los tres prim eros 121

dígitos es 8 x 7 X 6. En consecuencia, e l total de combinaciones posibles con ocho dígitos (u ocho am inoácidos) es 8.x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x l . E l producto es 40.320. E llo significa que, sólo con los ocho amino­ ácidos de la vasopresina, pueden form arse 40320 moléculas de proteína, cada una de ellas con pro­ piedades distintas de todas las demás. El panorama adquiere rápidamente proporcio­ nes asombrosas a medida que se ¿largan las cade­ nas péptidas. Tom em os una cadena péptida de 30 aminoácidos, com o la de la insulina. Desde luego, no contiene 30 aminoácidos diferentes y la presencia de más de un aminoácido determinado reduciría el número de combinaciones posibles. (Supongamos, p o r ejem plo, que la cadena con­ tiene dos glicinas, una en la posición 4 y otra en la posición 14. Si la glicina 4 se coloca en la 14 y la 14, en la 4, la molécula no varía, ya que las dos disposiciones aparentemente distintas seguirían siendo la misma.) Así pues, si suponemos que el péptido de 30 aminoácidos contiene dos de cada uno de 15 ami­ noácidos diferentes (n o es el caso de la insulina, pero se acerca bastante), resulta que e l total de combinaciones distintas es de irnos 8.000.000.000.000.000.000.000.000.000, es decir, ocho m il cuatri­ llones. Tomemos ahora un péptido de 140 aminoáci­ dos sim ilar al de la hemoglobina y supongamos que se compone de veinte aminoácidos distintos, repetido cada uno siete veces. E l total de combina­ ciones diferentes es algo que no pienso molestar­ m e en escribir. Em pieza p o r 135 seguido de cien­ 122

to sesenta y c in c o ceros. E s un n ú m ero m uchísi­ m o m a y o r qu e e l de to d o s los áto m o s d e l un iverso con ocido. A s í qu eda con testada una pregunta. E l núm e­ r o de d iferen tes p roteín as qu e pu eden fo rm a rs e con vein tid ó s am in oácidos es p rá ctica m en te ili­ m itad o. Las cadenas secundarias de am inoácidos exp lican p o r s í m ism as todas las va ried a d es que se aprecian en las p roteín as; b astan p a ra fo r m a r la b ase de un fen ó m en o tan c o m p le jo y d elicad o c o m o la vid a. E n rea lid a d , b astan y sobran. D e las 40.320 com b in acion es de vasop resin a p osib les, e l cuer­ p o e lig e s ó lo una. D e los o c h o m il cu a trillon es de com b in acion es d e los p o lip é p tic o s d e insulina p o ­ sibles, e l cu erp o e lig e una. L a p regu n ta n o es y a d ón d e en cu en tra e l cuer­ p o la v a ried a d q u e necesita, sin o c ó m o co n tro la esa va ried a d y la m antien e d e n tro de unos lí­ m ites. T ra te m o s ah ora de h a lla r la respu esta a esta pregunta.

Capítulo V I LOCALIZACIÓN DEL CÓDIGO

EL PATRÓ N Para que la célula pueda fab ricar enzimas fo r ­ m ando una cadena polipéptida determ inada — y sólo ésa— partiendo de unas posibilidades prác­ ticam ente ilim itadas, esa célula h a d e tener, en algún lugar, «instrucciones» p ara ello. Es incon­ cebible que esa cadena pueda form a rse p o r ca­ sualidad. S i a un arquitecto se le encarga la construc­ ción de una casa que sea idéntica a otra ya exis­ tente hasta el últim o clavo, no podrá h acerlo sin más, sino que tendrá que ir com parando una y otra casa a m edida que v a construyendo, a no ser que disponga de planos detallados de la casa origina]. Para la célula, «con stru ir com paran do» supon­ dría tom ar com o m odelo cada una de las molécu­ las de proteína. La segunda m olécula de proteína habría de fabricarse sobre la prim era, es decir, am inoácido p o r aminoácido. P e ro ningún bioquí­ m ico ha conseguido que una proteína corriente produzca un duplicado de sí misma, a pesar de los incentivos que se le den, en fo rm a de mate127

lia s prim as, enzim as, com puestos especiales, etc. L o s únicos elem en tos d e la c élu la q u e se du­ p lican son los crom osom as y cad a cro m o som a e m p ieza la v id a p artien d o sólo d e crom osom as. P o r lo tanto, h ay q u e d ed u cir qu e lo s crom osom as llevan en su p ro p ia estru ctura e l «p a t r ó n » o fó r ­ m ula p a ra la fa b ric a ció n d e la proteín a. A s í se suponía desde que, a p rin cip io s d el si­ g lo x x , se a d o p tó en e l estu dio d e los cro m o s o ­ m as la te o ría d e la herencia, su posición qu e ha id o rea firm á n d ose co n los años. E ra fá c il h ablar d e l «g e n d e o jo s a zu les», p e ro e l g e n en s í n i tenía o jo s azules n i los produ cía. S ó lo p o d ía d a r ins­ tru cciones p a ra la fa b rica c ió n d e una cadena p o li­ p ép tid a d eterm in ad a qu e lu ego se c o n v e rtía en la enzim a qu e catalizab a la fa b ric a ció n d e un p ig ­ m en to qu e daba a los o jo s e l c o lo r azul. A u n qu e el p ro d u cto fin a l fu e ra una «c a ra c te rís tic a fís ic a », la la b o r in m ed iata d el gen era fa b ric a r u n a p ro teín a determ inada. H asta la d écada d e los 40 n o se p resen taron pru ebas rela tiva m en te firm e s q u e c orro b ora ra n ta l suposición. E n 1941, G eo rge W . B e a d le y Edw a rd L. T atu m in iciaron una serie de exp erim en ­ tos con m oh o d e pan. S e c u ltiv ó una ce p a silvestre de este m oh o en un m ed io qu e con ten ía azú car y sales inorgán icas. E n tte las sales figu ra b a n c o m ­ pu estos d e n itró g e n o con los cuales e l m o h o p od ía fa b ric a r p o r sí m ism o todos los a m in oácid os n e ­ cesarios. N o fu e necesario a g re g a r a l m ed io ningún a m in o á cid o p refa b rica d o . B eadle y T a tu m som etiero n entonces a los ra­ y o s X esporas d el m oho. Y a en 1926, H erm an n J. M u ller h abía d em ostrad o q u e estas rad iacion es 128

alteran en cierto m odo los genes y producen m u­ taciones. Beadle y Tatum pudieron com probar que ello ocurría también en este caso. De vez en cuando, una espora irradiada dejaba de crecer en el m edio corriente y sólo lo hacía si se le agregaba un determ inado aminoácido, p o r ejem plo, lisina. Al parecer, lo ocurrido era que la espora irra­ diada había perdido la facultad de fabricar su p ro ­ pia lisina, a base de los compuestos de nitrógeno inorgánicos. Sin Usina no podía crecer y, si se le administraba lisina prefabricada, crecía. Parecía evidente que la espora no producía alguna de las enzimas que normalmente catalizaban una de las reacciones que proporcionaban la Usina. Tam bién parecía lógico suponer que ello se debía a que los rayos X habían dañado un gen determinado. Mediante una larga serie de inge­ niosos experimentos, Beadle y Tatum sentaron una firm e base para la aseveración de que cada gen tiene la exclusiva función de form ar una en­ zim a específica. Ésta es la llam ada teoría de un gen/una enzima. En el m om ento en que se anunció esta teoría se produjo una viva polémica, pero en la actua­ lidad la m ayoría de los bioquím icos parecen acep­ tarla. En realidad, en las enzimas form adas por más de una cadena polipéptida parece haber un gen para cada una de ellas, por lo que la teoría debería llamarse un gen/una cadena polipéptida.* Considerado el caso desde este punto de vista, * P or su trabajo sobre los rayos X y la mutación, Muller recibió el Prem io N obel d e Medicina y Fisiología d e 1946. Beadle y Tatum, p or su trabajo sobre e l m oho irradiado, com­ partieron el Prem io Nobel de Medicina y Fisiología de 1958.

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se aprecia que el ju ego de cromosomas con e l que cada huevo fecundado inicia su vida contiene in­ form ación para un juego de enzimas, cuyo número es prácticamente igual al de los distintos genes. A este «p a tró n » de los cromosomas se le ha dado en los últimos años el nombre de código genético. N o ha habido otra frase que hiciera tanto impac­ to en el mundo de la ciencia desde que se acuñó la de «fisión del átom o».

L A CAIDA DE L A P R O TE ÍN A Pero, ¿qué queremos decir cuando afirmamos que los cromosomas y los genes portan e l código genético? ¿Cómo lo portan? ¿De qué clase de sím­ bolos se compone? L o inmediato es suponer que e l código está inscrito en la estructura de la proteína que fo r­ m a cada gen. Parece lógico afirm ar que sólo una molécula de proteína es lo bastante com pleja com o para contener el patrón necesario para fo r­ m ar una molécula de proteína. Supongamos que cada gen posee en algún elemento de su estructu­ ra la cadena polipéptida exacta de la enzima cuya síntesis es controlada p o r él. E l gen sería, p o r así decirlo, una «enzim a de referencia», transmitida de célula en célula y de organismo en organismo generación tras generación. Combinando y vol­ viendo a com binar esta enzima de preferencia, al parecer, podrían prepararse tantas otras de la misma especie com o necesitara la célula. T od o ello parecía tan natural que casi se daba p or descontado. N o obstante, ciertas pruebas que 130

databan d e m ed io siglo atrás indicaban in equ ívo­ cam ente qu e esta op in ión era errónea. En 1896, en la época en que los cien tíficos em ­ pezaban a cen trar su atención en los crom osom as, un qu ím ico alem án llam ad o A lb rech t K ossel ha­ cía experim entos con esperm a de salm ón que, al igual que todas las células esperm áticas, n o es más que un saco de crom osom as com prim idos. K ossel descubrió, en p rim e r lugar, qu e e l es­ perm a de salm ón se com pon e prin cipalm ente de ácid o nucleico; en realidad, el con tenido de ácido nucleico supera al de p roteín a en una p rop orción de dos a uno. Y , p o r si no era su ficien te esta in ci­ dencia m in oritaria de las proteínas, resultó que las m oléculas de p roteína eran p o c o corrien tes y las llam ó protam inas. Las m oléculas de protam ina son m uy pequeñas p ara proteínas y, sorpren­ dentem ente, están com puestas casi enteram ente p o r una sola varied ad de am inoácido. E n tre el ochenta y e l noventa p o r cien to d e los am inoáci­ dos que com ponen las protam inas son argin ina.* E llo es de recalcar. Cuando una roacrom olécula está com puesta en tan gran p ro p o rció n p o r una sola unidad, su facu ltad para tran sm itir in form a­ ción queda extraordinariam ente m erm ada. P o r ejem p lo, tom em os un p ép tid o com puesto p o r diez am inoácidos diferentes, y o tro com puesto p o r diez am inoácidos, och o de los cuales sean iguales y só lo dos, diferentes. L a cadena d e d iez elem entos diferen tes puede com binarse de 3.628.800 form as distintas; la de ocho elem entos iguales y dos d ife ­ rentes puede com binarse sólo de 90 form a s distin* Kossel recib ió p o r su investigación en este cam po el P re m io N obel de F isiología y M edicina d e 1910.

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tas. P o r lo tanto, las ,moléculas de ptotam in a tie ­ nen sólo 1/40.000 de las posibilidades de varia­ ción de una m olécula de proteína de tamaño sim i­ la r y m ayor variedad de aminoácidos. Si bien hay que reconocer que las posibilida­ des de variación de las proteínas son tan amplias que se puede arrostrar una reducción considera­ b le de las mismas, resulta sorprendente que esta reducción ocurra en las células espermáticas, en las que la cantidad de inform ación a transm itir ha de ser máxima. En las células de salmón corrientes, la p ro teí­ na que contienen los crom osom as es de la varie­ dad llam ada historia. Ésta es una variedad bas­ tante simple, desde luego, aunque no tanto com o las protaminas. ¿ P o r qué una célula del cuerpo ha de tener cromosomas con unas proteínas más complicadas que las que poseen las células esper­ máticas, a partir de las cuales habrían de desarro­ llarse todas las células del cuerpo? (Y no hay que suponer que la célula del óvulo compense la falta, ya que el padre contribuye a la herencia genética tanto com o la madre, según todos los indicios, y la herencia paterna se transm ite sólo a través de las células espermáticas.) Además, las enzimas del salmón (a l igual que las de cualquier otra criatura) no son protam ina ni histona, p o r lo que no pueden copiarse direc­ tamente de la proteína del cromosom a. Y todo ello puede aplicarse tam bién a otras especies. La proteína del crom osom a, especialmente en las cé­ lulas espermáticas, suele ser más sim ple que la proteína enzimática. Por otra parte, todas las pruebas realizadas en 132

células esperm áticas desde l a ^ b c á ^ K ó s s d i l dicán qu e e l ácid o nucleico d e l esperm a es m uy s im ila r a l ácido n u cleico d e las células corrientes. Una fo rm a de res o lve r este p rob lem a sería su­ p o n er que cuando un organ ism o em b ala un ju e g o de crom osom as en una célula esperm á tica, a rro ja p o r la b ord a to d o e l lastre d e l q u e pueda p re s ­ cindir. A l fin y a l cabo, la célula esperm ática tiene que d irigirse a la célula d el óvu lo qu e está esp e­ rándola, co n la m a y o r ra p id ez p osib le y le con­ vien e v ia ja r sin im pedim en to. E n estas con d icio­ nes, ¿qué p a rte de los crom osom as se conservaría sin cam bios? N aturalm ente, la p a rte qu e lle v a e l c ó d ig o genético. ¿ Y qu é p a rte h abría de reducirse y sim p lificarse to d o lo posib le? Pues la qu e n o es indispensable p ara e l c ó d ig o genético. Desde este punto de vista, parece qu e e l c ó d ig o gen ético se encuentra en e l ácid o nucleico y n o en la protem a. Aunque ahora, con la exp erien cia acumulada, e llo puede parecer evidente, no lo fu e durante el m ed io siglo que siguió a l descubrim iento de K ossel. Entonces se consideraba qu e las m oléculas de á cid o n u cleico eran m uy pequeñas y de estructu­ ra sim ple. Inclu so las proteínas sim p lificad as se consideraban m ás com plejas qu e lo s ácidos nu­ cleicos, y que cam biar de la p rotam in a a l ácido nucleico sería ir de m al en peor. P o r lo tanto, los qu ím icos perseveraban con la proteína, esperando qu e s e presentara a lg o que ju stifica ra la sim plicidad d e las m oléculas d e p ro ­ tam ina o dem ostrara que, al fin y a l cabo, eran bastante com plejas. P ero nada v in o a salvar la te o ría d el c ó d ig o de la proteína. P o r e l con tra rio, se p ro d u jo un des­ 133

cubrim iento qu e la m andó a la tumba. Existen d os cepas de un tip o de b acteria cau­ sante de la pulm onía. Una de ellas desarrolla una película suave de aspecto azucarado sobre la célu­ la de la bacteria; a causa del aspecto de la colo­ nia resultante, se llam a «cep a suave» o S. L a otra no produce película alguna, carece de suavidad y se llam a «ru g o sa » o R. En 1928 se declaró que una p artida de bacte­ rias S, muertas p o r ebullición y agregadas a bac­ terias R vivas producían bacterias S vivas. S muertas -4- R vivas = S vivas E ra inconcebible que las bacterias S muertas pudieran resucitar, p o r lo que sólo cabía la supo­ sición de que las bacterias R vivas habían sido convertidas en S vivas, p o r efecto de algo que se encontraba en las bacterias S muertas. Parecía lógico suponer que las bacterias S p o ­ seían un gen que controlaba la enzim a necesaria para la form ación de la película. Las bacterias R, p o r otra parte, carecían de este gen, p o r lo que no form aban la enzim a ni poseían la película. Ahora bien, las bacterias S muertas seguían conteniendo el gen. Cuando las bacterias S muer­ tas se agregaban a las bacterias R vivas, una parte de la cepa R absorbía de algún m od o ese gen y adquiría la facultad de fo rm a r la enzim a y la pe­ lícula. En realidad, éstas se convertían en m iem ­ bros de la cepa S. En 1931 se dem ostró que ni siquiera se nece­ sitaban bacterias muertas intactas para transfor­ m ar bacterias R en S. ¿Sería posible conseguir 134

la m eta m o rfo sis co n - u n ex tra cto b a cteria n o ? ¿C ó m o ? E l e x tra c to con ten ía e l g e n necesario. S e co n cib ió la esperanza d e p o d e r p u r ific a r e l gen hasta aislarlo, a fin de estu d iarlo. Efeto se c on sigu ió en 1944 y e l an u ncio d e la n atu raleza del gen c a y ó c o m o una b om b a. T re s b io q u ím ic o s que tra b a ja b a n en e l In s titu to R o c k e fe lle r, O sw a ld T . A v e ry , C o lin M . M a c L e o d y M a c ly n M c C a rty con sigu ieron d em o stra r qu e e l gen e ra á c id o nu­ c le ic o y s ó lo á cid o nu cleico. C on sigu iero n trans­ fo r m a r b a cteria s R en S u tiliza n d o una solu ción d e l á cid o nu cleico, sin p ro te ín a alguna. M ás adelan te se h iciero n o tra s tra n s fo rm a c io ­ nes d e cepas bacterian as y en todos los casos e l a gen te tra n s fo rm a d o r era á c id o nu cleico. Im p o s i­ b le segu ir du dan do: e l c ó d ig o gen ético s ó lo p o d ía tra n s m itirlo e l á cid o nucleico.

A U G E D E L A C ID O N U C LE IC O C u alqu ier duda qu e p u d ieran c o n se rv a r los b ioq u ím icos, acostu m b rad os a co n sid era r la p r o ­ teín a c o m o la m a teria de la vid a, q u ed ó d e fin iti­ vam en te extin gu id a tras los exp erim en to s rea liza­ dos sob re m olécu las d e viru s a p rin cip io s de la década d e los 50. Después d e la Segunda G u erra M u n dial, e l m i­ c ro s c o p io e le ctró n ic o fu e d e sa rro lla d o y p e rfe c ­ cio n a d o hasta resu ltar, p o r un la d o, p re c is o y se­ gu ro, y p o r e l o tro , aseq u ib le p a ra los presupues­ to s c ie n tífic o s m edian os. D ad o q u e e s te instru ­ m en to p e rm itía m uchos m ás aum entos qu e los m icro s c o p io s ó p tic o s corrien tes, se ex ten d ió con135

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siderablemente e l estudio d e las m d écu fas d é los virus que, p o r su pequeño tamaño, n o podían ver­ se con los m icroscopios corrientes. A s i pudo averiguarse que las moléculas de los virus consistían generalmente en una concha de proteína en cuyo in terior se encontraba una m o­ lécula de ácido nucleico. Esta últim a era una sola estructura alargada, mientras que la concha de proteína estaba form ada p o r una serie de peque­ ñas secciones, similares entre sí. D e pronto, empe­ z ó a resultar dudoso que las moléculas de proteí­ na tuvieran que ser más com plejas que las de ácido nucleico. Aquí se daba un caso clarísim o en el que la molécula de ácido nucleico era más gran­ de que cualquiera de las moléculas de proteína comprendidas en el sistema. (P o r supuesto, com o hemos visto en el capítulo anterior, e l tamaño nada tiene que v e r con la com plejidad. Más ade­ lante volverem os sobre este punto.) En 1952, dos bioquímicos, A lfred D. Hershey y M. Chase, realizaron un experim ento crucial con los bacteriófagos*variedad de virus que infesta las células bacterianas. Invaden la célula, se multi­ plican y acaban por matarla. La membrana celular se revienta y, de donde antes entrara un solo v i­ rus, salen ahora muchos. Hershey y Chase empezaron p o r cultivar bac­ terias en un m edio que contenía átomos de azufre y fósforo radiactivos. Dado que estos átom os se com portan com o átomos de azufre y fó s fo ro co­ rrientes, p o r lo menos en e l aspecto químico, las bacterias asim ilaron en su estructura los átomos radiactivos com o si fueran átomos corrientes. Aho­ ra bien, los átom os radiactivos se descomponían 136

constantemente, em itiendo pequeñas partículas cargadas de energía que los quím icos podían de­ tectar con instrum entos adecuados. A sí se podía saber si las partículas eran em itidas p o r e l azu­ fre o e l fósforo. Las bacterias cultivadas en este m edio radiactivo estaban, digamos, «m arcadas». E l siguiente paso consistió en hacer que los bacteriófagos infestaran estas bacterias. Así se hizo y las moléculas víricas invasoras se re p ro ­ dujeron a base de las células bacterianas marcadas con lo que las nuevas moléculas quedaron m ar­ cadas a su vez. N o obstante, el m arcado de los bacteriófagos seguía un patrón especial. Las m o ­ léculas de proteína contienen casi siem pre á to ­ mos de azufre y m uy pocos o ningún á to m o de fósforo. P o r otra parte, las moléculas de ácido nucleico contienen siem pre átom os de fósforo, y nunca átom os de azufre. En consecuencia, un bacteriófago m arcado con átom os de fó s fo ro y azufre llevará el fó s fo ro en el in terior d e la parte de ácido nucleico, m ientras que e l azufre se en­ contrará en la cápsula externa de protéína. V in o luego el paso decisivo, consistente en in­ festar bacterias norm ales no marcadas co n bacte­ riófagos marcados. La presencia d e átom os ra­ diactivos señalaría la presencia del viru s. Pues bien, en las bacterias pen etró tan s ólo e l fó s fo ro radiactivo. E l azufre se quedó fuera y pudo ser elim inado con un sim ple lavado o sólo con una sacudida. Inevitablem ente, de ello se dedujo qu e sólo pe­ netraban en la bacteria los «in te rio re s » de ácido nucleico del virus. La cápsula de proteína queda­ ba fuera, descartada. N o obstante, este ácid o mi137

cleico del virus, una vez dentro de la bacteria, formaba rápidamente no sólo más moléculas de ácido nucleico iguales a sí mismo (aunque no igua­ les a las que normalmente se encuentran en las bacterias) sino también nuevas cápsulas de proteína. Era indiscutible que, por lo menos en este caso, el código genético se encuentra en el ácido nucleico y no en la proteína y que el ácido nu­ cleico sin la proteína puede provocar la formación de unas moléculas de pro teína determinadas. Al fin y al cabo, la cápsula de proteína formada para las nuevas moléculas víricas era igual a la cáp­ sula de proteína que quedó descartada, fuera de la bacteria y distinta de cualquiera de las p ro­ teínas que en un principio se encontraban en su interior. Varios años después se consiguió otro gran impacto. En 1955, Heinz Fraenkel-Conrat desarro­ lló unas técnicas suaves para extraer el ácido nu­ cleico de la cápsula de proteína de un virus de mosaico de tabaco sin dañar ni el ácido nucleico ni la proteína. Cada una de las partes del virus, ais­ ladas, parecían no infecciosas, es decir que podía embadurnarle con ellas hojas de tabaco sin que se produjera la enfermedad que se caracteriza por la decoloración moteada. Ahora bien, si las dos partes volvían a unirse, una parte del ácido nu­ cleico se introducía de nuevo en la cápsula de proteína y la combinación recobraba su poder infeccioso. Al aña siguiente, Fraenkel-Conrat de­ mostró que, si bien la proteína no parecía infectar las hojas de tabaco, el ácido nucleico — incluso solo— poseía un leve poder infeccioso. 138

E l significado está claro. La cápsula de p ro ­ teína actúa, en p rim er lugar, com o una «arm a­ dura» cuya m isión es proteger la parte de ácido nucleico dél virus. E n segundo lugar, la cápsula de proteína contiene una enzima que produce, por disolución, una abertura en la pared de la célula bacteriana. (E sta enzim a disolvente fu e ais­ lada en 1962.) P o r esta abertura penetrd en la cé­ lula sólo el ácido nucleico. A falta de la cápsula de proteína, no hay enzi­ m a que perfore un o rific io para el ácido nucleico, p o r lo que éste, solo, parece carecer de p od er in­ feccioso. A veces, em pero, el ácido nucleico en­ cuentra una fisura por la qu e puede introducirse y entonces se produce la infección aunque no haya proteína. L a com binación ácido nucleico/proteína es aná­ loga a la de hom bre/autom óvil. Un hom bre y un autom óvil juntos pueden trasladarse de M adrid a Barcelona sin problem as. P o r separado, ni uno ni o tro lo conseguirían. Evidentem ente, e l coche, por sí solo, no podría. E l hombre, si estuviera acuciado por una necesidad vital, podría hacer el via je a pie. Es indudable que en la com binación hom bre/autom óvil el prim ero es la parte esencial; análogamente, el ácido nucleico es la parte esen­ cial de la com binación de los virus ácidos nuclei­ co/proteína. Todos los experim entos realizados desde 1944 apuntan en la mism a dirección. En todas las espe­ cies, tanto en las células com o en los virus, el áci­ do nucleico ha resultado ser el p ortad or del códi­ go genético. La proteína, nunca. P o r lo tanto, des­ de finales de la década de los 40, los quím icos se 139

han concentrado afanosamente en la molécula de ácido nucleico. Y en ella hemos de concentramos nosotros, ya que ahora se trata de averiguar la estructura del ácido nucleico (com o antes averiguamos la de la proteína) si queremos descubrir la naturaleza del código genético.

Capítulo VII EL COMPUESTO CENICIENTA

FÓSFORO Cuando, en 1944, el ácido nucleico entró en su apogeo, hacía aproximadamente tres cuartos de siglo que se había descubierto. Durante este tiempo, sólo unos cuantos hombres lo habían es­ tudiado. Fue la cenicienta de los compuestos hasta que, de la noche a la mañana, se calzó e l zapatito de cristal. De todos modos, los pioneros que habían tra­ bajado con él durante sus días de anonimato, ha­ bían conseguido deducir los principios básicos de su estructura. P o r ejem plo, poco después de ser descubierto, se averiguó que contenía fósforo. Esto era extraño. Desde luego, se sabía que al­ gunas proteínas contenían fósforo, pero en pe­ queña cantidad. La caseína, la principal proteína de la leche, contiene un 1 por ciento de fósforo. La lecitina, una sustancia grasa que se encuentra en la yema de huevo, contiene un 3 por ciento de fósforo. Pero el ácido nucleico es más rico en este elemento que cualquier otra de las sustancias importantes del cuerpo, ya que contiene un 9 por ciento de fósforo. 143

. P o r lo tan to, h a lle ga d o e l m o m en to d e exa­ m in a r atentam ente e l fó s fo ro . C om o se in d ica en e l cap ítu lo J II, su sím b o lo es P . P o r sus prop ieda­ des quím icas, e l fó s fo r o se p arece un p o c o a l ni­ trógen o. A l igual qu e éste, e l fó s fo r o puede com ­ binarse con tres átom os diferentes. E n ocasiones, tam bién puede agregarse un cuarto á to m o (g e n e ­ ralm ente, o x íg e n o ) m edian te un tip o especial de enlace q u e se representa co n una pequ eñ a flech a en lu ga r d el gu ión / P o r ejem p lo, la fig u ra 35 in d ica la fó rm u la es­ tru ctu ral d el á cid o fo s fó ric o , im p ortan te p rod u cto qu ím ico industrial. Su fó rm u la em p írica es, c o m o puede v e r s e : HaPO*. O bsérvese tam bién qu e, m ien­ tras un á to m o de oxígen o puede fo rm a r d os enla­ ces d el tip o corrien te de «g u ió n », fo r m a una solo d el tip o d e «fle c h a ». L o s enlaces existentes en tre e l á to m o d e fó s fo ­ ro y los átom os de oxígen o d el ácid o fo s fó r ic o son

h

I

0 H

O

u

P —

1

0

1

H • Figura 35.

A c id o fosfórico

. * T am bién e l n itrógen o tien e e sta p ropiedad, p e ro n o lo m enciono y a que n o afecta al tem a d e l libro.

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fuertes. N o obstante, los átom os de hidrógeno pu e­ den extraerse d el com puesto con bastante fa cili­ dad. Cuando se quita uno, queda una abertura que sirve para unir lo que resta d el ácido fo s fó ­ rico a otros átom os o grupos de átom os. S i se extraen dos átom os de hidrógeno quedan dos aber­ turas y, si se extraen todos, tres. E l ácido fo s fó ­ ric o menos uno o más de sus hidrógenos es un gru p o fosfá tico: el fosfa to será prim ario, secun­ dario o terciario según se hayan extraíd o uno, dos o tres átom os de hidrógeno, dejando una, dos o tres aberturas para otras com binaciones, com o se indica en la figu ra 36. I 0 1

H— O — P - > 0

I o I

H— O— P -> 0

I o I

— O— P — > 0

I 0 1

I o I

I o I

fo sfa to p rim a rlo

fo sfa to s e c u n d a r io

fo s fa to te rc ia rio

H

Figura 36.

L o s gru p o s fo sfá te o s

En los tejid os vivos, e l átom o d e fo s fa to siem­ p re está integrado en un fosfa to p rim a rio o se­ cundario. Para sim plificar, se puede adoptar una form a convencional para indicar estos dos gru­ pos, sin reparar en su configuración atóm ica in­ terna. P o r ejem p lo, se puede indicar, n o ya e l fó s fo ro sino e l grupo fo sfá tico p o r una P rodeada de un círculo. Para distinguir entre los fosfatos p rim ario y secundario, se señalarán uno o dos 145

enlaces en el sím bolo, com o se indica en la figu ­ ra 37.

fo s fa to p r im a r io Figura 37.

fo s fa to se c u n d a rio Sím b olo s del fosfato

A m od o de ejem p lo de la form a en la que un grupo de fosfatos puede darse entre los compues­ tos ya m encionados, tom em os el am inoácido serina. Un grupo fosfático puede agregarse a la serina en el lugar de la cadena secundaria correspon­ diente al oxígeno. Así se form a la fosfoserina, com o indica la figura 38.

s e r in a Figura 38.

fo s fo s e rin a Serina y fosfato

En las proteínas puede darse la fosfoserina en lugar de la serina y cuando esto ocurre e l resul­ tado es una proteína que contiene fósforo, lo que se llam a fosfoproteína. E jem p lo de ello es la ca­ seína, que m enciono al principio de este capítulo. Así pues, podemos considerar los grupos fosfáticos com o un com ponente del ácido nucleico. 146

e l componente que le da sus propiedades ácidas. Desde luego, tiene también otros componentes.

LAS DOS VARIEDADES Pronto se observaron indicaciones de que el ácido nucleico contiene en su estructura grupos de azúcar, pero durante décadas la naturaleza del azúcar fue una incógnita. E l azúcar simple más corriente que se da en la Naturaleza es la glucosa, unidad a base de la cual se fabrican el alm idón y la celulosa. La m olé­ cula de glucosa es una cadena de seis átomos de carbono. A cinco de ellos está unido un grupo hidroxilo, mientras que el sexto átom o de carbono form a parte de un grupo carbonilo. (L a caracte­ rística de la estructura de la molécula de azúcar es precisamente la posesión de un grupo carbo­ nilo y de numerosos grupos hidroxilos.) Otros dos azúcares corrientes son la fructosa y la galactosa. Al igual que la glucosa, cada uno de ellos tiene seis átomos de carbono, uno de los cuales form a parte de un grupo carbonilo, mien­ tras que los otros están imidos a grupos hidroxi­ los. N o obstante la orientación relativa de los gru­ pos hidroxilos en el espacio es distinta en cada caso. (E sta diferencia de orientación basta para producir distintos compuestos, de propiedades di­ ferentes.) Dos azúcares simples pueden combinarse entre sí (al igual que los aminoácidos) eliminando el agua. La glucosa y la fructosa combinadas fo r ­ man una molécula de sacarosa, el azúcar de mesa 147

«corrien te», que Utilizamos para endulzar e l café. E l azúcar de caña, el de remolacha y el de arce son todo sacarosa. La glucosa también puede com bi­ narse con la galactosa para form ar lactosa, un azúcar casi insípido que sólo se encuentra en la leche. P o r último, ciertas moléculas de glucosa pueden combinarse para form ar moléculas de al­ midón o celulosa. Existen otros muchos azúcares y combinacio­ nes de azúcares. También hay algunas moléculas de azúcar ligeramente modificadas: son aquellas a las que se han agregado grupos de nitrógeno, azufre o fósforo. Algunos de estos compuestos no se dan en la Naturaleza, sino que se han obteni­ do por síntesis en el laboratorio. Todos estos compuestos — simples, combina­ dos o modificados, naturales o sintéticos— llevan el nombre de hidratos de carbono o carbohidra­ tos; com o queda dicho en el capítulo I I , com po­ nen uno de los tres grandes grupos de materia orgánica de los tejidos.

al co m p le to Figura 39.

en zigzag Ribosa

Pero, ¿qué carbohidrato es el del ácido nuclei­ co? L a respuesta a esta pregunta no se halló has148

ta 1910, én que el bioquím ico norteamericano de origen ruso Phoebus A. T . Levene identificó la ribosa, uno de los componentes d el ácido nuclei­ co. Con anterioridad, se ignoraba qu e la ribosa se diera en la Natúraleza. Fue obtenida por síntesis en 1911 por E m il Fischer (e l hom bre que descu­ b rió la estructura de los péptidos), pero se consi­ deraba puram ente-com o una curiosidad cientí­ fica, carente de valor práctico. Su m ism o nombre fue inventado p o r Fischer sin pretender otorgarle un significado especial. Sin embargo, debía ser considerada al fin com o uno de los dos carbohi­ dratos más importantes para la vida. (E n la Cien­ cia, a l igual que en la vida diaria, tam bién hay patitos feos que se convierten en cisnes.) L a ribosa se diferencia de la glucosa, la fruc­ tosa y la galactosa en que tiene cinco carbonos en lugar de seis. Esta cadena de cinco carbonos tien­ de a form ar un anillo con un átom o de oxígeno de uno de los grupos hidroxilos. E l resultado es un anillo de cuatro carbonos y un oxígeno que viene a ser com o un anillo de furano sin los enla­ ces dobles. E llo se indica en la figura 39, que mues­ tra la ribosa a l com pleto y en zigzag. Más adelante, Levene descubrió que n o todas las moléculas de ácido nucleico contienen ribosa. Algunas muestras contienen un azúcar afín que se diferencia sólo p o r la carencia de uno de los átomos de oxígeno de la ribosa. Su nombre, por lo tanto, es desoxirribosa y en la figura 40 se in­ dica su estructura. La desoxirribosa, al igual que la ribosa, había sido sintetizada p o r Fischer años antes de que se descubriera su existencia en la Naturaleza. 149

al com pleto

.

Figura 40.

e n zig z a g Desoxirribosa

En función de estos dos azúcares, el ácido nu­ cleico se d ividió en dos tip o s : ácido ribonucleico, que contiene ribosa, y ácido desoxirribonucleico, que contiene desoxirribosa. Dado que estos nom­ bres han venido usándose con creciente frecuen­ cia y dado que los bioquímicos son tan alérgicos a los polisílabos com o e l que más, no tardó en implantarse la costumbre de utilizar iniciales para referirse a estas sustancias. E l ácido ribonuclei­ co es A R N y el ácido desoxirribonucleico, ADN. Casi nadie los nombra ya de o tro modo. En los ácidos nucleicos no se habían encontra­ do más azúcares que la ribosa y la desoxirribosa y hacia 1950 los bioquímicos asumían, con más o menos firm eza, que no se encontrarían ya y que la ribosa y la desoxirribosa eran los únicos azú­ cares del ácido nucleico. Además, no se ha encon­ trado ningún ácido nucleico que contenga ribosa y desoxirribosa, sino sólo una u otra. Uno y otro tipo de ácido nucleico se dan en distintos lugares de la célula. E l A D N se presenta sólo en el núcleo y, concretamente, en los cro­ mosomas. En el interior del núcleo puede encon­ 150

trarse tam bién a lg o de A R N ; p e ro éste acostum ­ b ra a estar en su m a yo r p a rte fu era, en e l citoplas* m a. P o r lo que ha p od id o averiguarse hasta a h o­ ra, todas las células com pletas contienen tanto AD N com o ARN. P o r lo que respecta a los virus, lo s m ás com ­ plicados contienen, a l igual qu e las células, A D N y A R N . N o obstante, m uchos contienen únicam ente A D N . Los más sim ples, com o e l d el m osaico del tabaco, contienen s ó lo A R N .

P U R IN A S Y PIRIM 1DLNAS •

P u d o averiguarse que los ácidos nucleicos co n ­ tienen, adem ás de grupos fosfáticos y azúcares, com binaciones de átom os construidas en torn o a an illos con parte de nitrógeno. E llo fu e descu­ b ie rto hacia 1880 y con p osteriorid a d p o r K ossel (e l h om b re qu e más adelante tra b a ja ría con protam inas). T o d o s los com puestos con p a rte d e ni­ trógen o qu e fu eron aislados resultaron estar cons­ truidos alred ed or de uno o dos sistem as de ani­ llos, el de purina y e l de pirim idina, los cuales qu e­ dan indicados en la figu ra 15. P o r lo tanto, los com puestos con parte de n itrógen o aislados del ácid o nucleico se agrupan en p u rin a s y p irim id in a s * Dos purinas y tres p irim idinas se han aislado de los ácidos nucleicos en cantidades considera* E m il Fischer, que trabajaría más tarde con la estruc­ tura péptida, realizó una lab or extraord in aria con la quím ica d e las purinas. P o r esto, y p or sus estudios acerca d e los azúcares, fu e recom pensado, en 1902, con e l P rem io N obel de Química.

151

bles; La s dos purinas son : a d en h ta y guanina y las tres p irim id in as: citosina, tin tin a y u ra cilo. Las cinco se presentan en la figu ra 41, en fo rm a com ­ pleta y en zigzag. D e las cinco, la adenina, la guanina y la citosi­ na se dan tan to en el A D N com o en e l A R N . L a . tim ina se encuentra sólo en el A D N y e l uracilo, sólo en e l A R N . L a tim ina y e l uracilo no son muy diferentes. E n realidad, la única diferencia consis­ te en que la tim ina posee un grupo m etilo d el que carece e l uracilo. E n la fórm u la de zigzag, la m o­ lécula de tim ina m uestra un pequeño guión que no se observa en e l uracilo, lo cual sitúa la d ife­ rencia en su justa perspectiva. P o r lo que s e re fie ­ r e a l código gen ético (para adelantar aconteci­ m ientos m om entáneam ente) la tim ina d el A D N es equivalente al uraqilo d el AR N . O tra observación respecto a las fórm ulas. En determ inados com puestos orgánicos, es posible que un átom o de hidrógeno circule p o r lo s m is­ m os con cierta libertad, enganchándose unas v e ­ ces a un átom o y otras, a otro. E sto ocurre cuan­ d o existen enlaces dobles, y e l salto del átom o d e hidrógeno acarrea una conm utación d e los enlaces dobles. E n el uracilo, p o r ejem plo, los átom os d e hi­ drógeno de los grupos hidroxilos pueden conmu­ tar fácilm ente con los átom os de nitrógeno qu e se encuentran contiguos a ellos en e l anillo. E n rea­ lidad, suelen estar con m ayor frecuencia con los átom os de nitrógeno que en los grupos hidroxilos. Este fenóm eno d el desplazam iento de un átom o de hidrógeno se llam a tautom erism o. E n la figu ra 42 se indica la fo rm a tautóm era d el uracilo. S i se 152

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Figura 41.

Purinas y pirlmldlnaa

compara con la fórmula del uracilo de la figu­ ra 41 , se observará que, p o r lo menos en las fó r­ mulas de zigzag, sólo cambia la situación de los enlaces dobles. (En realidad, no es necesario que nos exten­ damos más sobre el fenómeno del tautomerismo. 153

S i lo he m encionado es porque, a veces, es nece­ sario enunciar la fórm u la de un com puesto com o el uracilo en una u otra fórm u la tautómera. A fal­ ta de una explicación, el lector podría sentirse des­ concertado al observar una diferencia inesperada en la distribución de los enlaces dobles de una fórm u la a otra.)

H a l co m p le to Figura 42.

e n zig z a g

Form as tautómeras del uracilo

En muy contadas muestras de ácido nucleico se han detectado un par de pirim idinas menores que presentaban m odificaciones de la estructura de citosina. Puesto que, p o r lo que se refiere al código genético, todas ellas se consideran equiva­ lentes de la citosina, no es preciso que el lector se preocupe p o r ellas. L o único que necesitamos son las dos purinas y las tres pirim idinas que se detallan en este apartado.

154

ENSAMBLADURA DE LAS PIEZAS La lista está ya completa. Los componentes de los ácidos nucleicos con el grupo fosfático, la ri­ bosa, la desoxirribosa, las dos purinas y las tres pirimidinas. En total, ocho «palabras», frente a las veintidós que componen las proteínas. Esto parece sorprendente. Y es que los com­ puestos que contienen el código genético deberían ser, por lo menos, tan complejos como las proteí­ nas. En realidad, las cosas son aún más senci­ llas. De las ocho «palabras», al ADN le faltan la ribosa y el uracilo, mientras que el A R N carece de la desoxirribosa y la timina. Por lo que cada una de las variedades de ácido nucleico se com­ pone sólo de seis «palabras». Pero, ¿cómo están unidas estas «palabras»? Levene, el primer hombre que identificó la ribosa y la desoxirribosa en los ácidos nucleicos atacó también este problema. Descompuso el ácido nu­ cleico en grandes fragmentos, cada uno de los cua­ les contenía varias de las unidades básicas. Ope­ rando con estos fragmentos, pudo deducir su es­ tructura. A principios de la década de los 50, el químico inglés S ir Alexander R. Todd obtuvo por síntesis estructuras a base de las fórmulas propuestas por Levene y averiguó que poseían realmente las pro­ piedades del material obtenido del ácido nucleico. Esto corroboró las hipótesis que, a decir verdad, habían sido aceptadas por los bioquímicos sin de­ masiados reparos.* * Por su trabajo en este campo, Todd recibió el Premio N obel de Química en 1957.

155

Levene mantenía que cada parte dé ribosa (o desoxirribosa) de la molécula de ácido nucleico tiene un grupo fosfático enganchado en un extre­ mo y una purina o pirimidina en el otro. Esta combinación de grupos se llama nucleótido. N

ácido adenilico

ácido guanilico

O

O N

ácido citidilico

ácido uridilico

Figura 43.

Nucledtidos de ribosa

Desde luego, todos los nucleótidos del AR N contienen un grupo de ribosa y, además, una ade156

nina, una guanina, una e i tosina o un uracu. r o í lo tanto, pueden darse cuatro nucleótidos distin­ tos: ácido adenílico, ácido guanilico, ácido citid llic o y ácido u rid ílico. Nuevamente, es la presencia del grupo fosfático lo que da a cada uno de ellos sus propiedades ácidas y agrega la palabra €áci­ d o » a su nombre. Y , por supuesto, p o r e l nombre del nucleótido se sabe qué purina o qué pirim idina contiene. Dado que estos nucleótidos son de importan­ cia prim ordial para el código genético, en la f i­ gura 43 doy las fórmulas de cada uno de ellos, aunque sólo en form a de zigzag. Los nucleótidos del A D N se distinguen de los anteriores en que, en lugar de ribosa, contienen desoxirribosa. P o r ello, podemos hablar del ácido desoxiadenílico, ácido desoxiguanilico y desoxicitidílico. En el A D N no existe el ácido desoxiuridílic o ; pero, dado que el lugar del uracil está ocu­ pado por la timina, tenemos el ácido desoxitim ú d ílico, según se indica en la figura 44. Com o pue­ den observar, l a diferencia entre éste y e l ácido uridílico se reduce a la falta del grupo hidroxilo en el azúcar. E l ácido desoxiadenílico se diferen­ cia del adenílico en lo mismo e idéntica diferen­ cia se observa al com parar el ácido desoxiguanílico y el ácido desoxicitidílico con e l ácido guanílico y el ácido citidílico respectivamente. Las variaciones de la disposición de los nu­ cleótidos son sumamente importantes para la quí­ mica del cuerpo. H ay nucleótidos com o los pre­ sentados en la figura 43, pero en lugar del único grupo fosfático llevan dos y hasta tres, dispuestos en tándem. Son compuestos clave para e l almace­ 157

namiento y suministro de energía, siendo e l más conocido de ellos e l trifosfato de adertosina, que suele abreviarse ATP. Su molécula es com o la del ácido adenílico, pero (com o indica el nombre del compuesto) lleva tres grupos fosfáticos en lugar del único que posee el ácido adenílico. o

Existen también compuestos semejantes a los nucleótidos que actúan en colaboración con cier­ tas enzimas, por lo que se denominan coenzimas. En ellos, la parte de ribosa se sustituye a veces por una glucosa o algún carbohidrato, mientras que en lugar de la purina o pirimidina puede ha­ ber otros tipos de anillos que contengan nitró­ geno. Sin embargo, nosotros no vamos a ocuparnos más que de los nucleótidos obtenidos de los ácidos nucleicos de los que en cualquier molécula de ácido existen sólo cuatro variedades. La pregunta que ahora se suscita es cómo se combinan los nucleótidos para form ar los ácidos nucleicos propiamente dichos. También esto fue averiguado por Levene y corroborado p o r Todd. 158

o

Figura 45.

La cadena polinucleótida

E l secreto está en e l grupo fosfático. En los nucleótidos unitarios, consiste generalm ente en un fo s fa to p rim ario con un enlace, aunque tam ­ bién puede ser un fosfa to secundario con dos en­ laces, el segundo de los cuales está unido a un segundo nucleótido. T od a una serie de nucleóti­ dos puede verse en la serie de ácidos uridílicos de la figu ra 45. 159

L o s n u cleótidos unidos de la fig u ra 45 form a n una cadena polin u cleótid a. Cuando e l polinucleótid o está com pu esto p o r nu cleótidos d e ribosa (c o ­ m o en la figu ra 45), cada gru p o de azúcar tien e un grupo h id ro x ilo qu e sobresale. (E s tá represen­ tad o p o r la — O qu e sale de cada a n illo d e azú­ car.) S i e l p olin u cleótid o está fo rm a d o p o r nucleó­ tidos d e desoxirribosa, n o se da este gru p o h id ro ­ x ilo lib re. (C om p áren se figu ras 44 y 43.) D e ello se deduce, pues, qu e el A R N está com puesto p o r una cadena p olin u cleótid a de cuya parte d e azú­ car sobresalen gru pos h id roxilos, m ien tras que e l A D N está fo rm a d o p o r una cadena polinucleó­ tid a sin gru pos hidroxilos. L a cadena p olin u cleótid a tien e cierta sim ili­ tud con la cadena p olip ép tid a d e las proteínas. La cadena p olip ép tid a está form a d a p o r una «c o lu m ­ na v e rte b ra l» d e p oliglicin a que discu rre a lo lar­ g o de tod a la cadena, dándole unidad; d e ella p arten las d iferen tes cadenas secundarias qu e dan diversidad a la m olécula. Análogam ente, la estruc­ tura p olin u cleótid a tien e una «co lu m n a v e rte b ra l» de azúcar y fo s fa to qu e discu rre a to d o lo largo de la cadena y d e la qu e parten las d iferen tes purinas y p irim idinas. En la figu ra 46 se m uestra una com paración esquem ática. E n la m olécu la de p roteína só lo varían las ca­ denas secundarias y en la m olécu la de á cid o nu­ cleico, s ó lo las purinas y las pirim idinas. A qu í se plantea lo que parece una curiosa pa­ rad oja. E n la colum na verteb ra l de p oliglicin a puede haber hasta vein tid ós cadenas secundarias d iferen tes (con tando c o m o uno de los elem entos

160

la fa lta de una cadena secundaria p a ra tm a g iic lna); pero en la columna vertebral de azúcar y fosfa to sólo hay cuatro purinas o pirim idinas di­ ferentes.

ca d e n a lateral

ca d e n a lateral

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ca d e n a lateral

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cadena lateral

purina, o p irim id in a

p ro te ín a Figura 46.

á c id o n u c le ic o Proteina y ácido nucleico comparados

¿Cómo con sólo cuatro «p alabras» para deter­ m inar el código puede el ácido nucleico sumi­ nistrar la inform ación necesaria para fabricar una molécula que puede contener hasta veintidós «p a­ labras»? Oportunamente nos ocuparemos de esta pre­ gunta clave y hallaremos la respuesta, pero no sin antes examinar más detenidamente la m olé­ cula de ácido nucleico propiam ente dicha.

Capítulo Y 111 DE CADENA A HÉLICE

LO NG ITUD DE L A CADENA A h ora que ya sabemos cóm o están unidos los nucleótidos en la m olécula de ácido nucleico p o­ demos preguntar cuántos nucleótidos form an un ácido nucleico. Este problem a n o preocupó seriam ente a los bioquím icos hasta la década de los 40. Y es que, en p rim er lugar, se daba p o r descontado que la m olécula de ácido nucleico era relativam ente pe­ queña. L a misma circunstancia de su asociación con la proteína hacía que ello pareciera plau sible: en una proteína conjugada la parte de proteína en sí debía ser (a l parecer) e l elem ento dominan­ te. P o r ejem plo, tom em os la hem oglobina. Esta contiene, además de sus 574 aminoácidos, cuatro grupos hema. Cada grupo hem a es imas cinco veces m ayor que el am inoácido m ed io : aun así los cuatro hemas juntos representan sólo un 3 p o r ciento de las moléculas de hem oglobina. (E l hem a se llam a gru p o p ro s té tico , de una palabra 165

griega que significa « lo que está añadido».) E l hem a es la «p a rte a ctiva » de la hem oglobi­ na. Cada grupo hem a tiene en su centro un átom o de hierro al que están unidas flojam ente molécu­ las de oxígeno, de manera que la hem oglobina actúa en el cuerpo en calidad de transportador de oxígeno. N o obstante, lo que realm ente determ i­ na e l funcionam iento del grupo hema es la parte de proteína. En el cuerpo hay varias enzimas: catalasa, peroxidasa y varios c iío cro m o s , cada una de las cuales contiene uno o más grupos he­ ma; sin embargo, ninguna de ellas puede susti­ tu ir a la hemoglobina. En realidad, todas tienen funciones diferentes, diferencias determinadas por las existentes en la parte de proteína de la molécula. Existen otros tipos de proteínas conjugadas que poseen otros tipos de grupos prostéticos. Es­ tán, p o r ejem plo, las glicoproteínas que tienen azúcares m odificados com o grupos prostéticos. En cada caso, el grupo prostético parece ser un agregado m enor a la pro teína en su conjunto, con una función menor. P o r ello, parecía lógico suponer que tam bién los ácidos nucleicos, al igual que otros grupos prostéticos, eran moléculas re­ lativam ente pequeñas con una función subsidia­ ria en el conjunto de la molécula. A esta suposición lógica se sumaron las obser­ vaciones realizadas por el propio Levene. É l ha­ bía aislado de las nucleoproteínas sustancias que, al ser examinadas, resultaron ser cadenas nucleótidas de unos cuatro nucleótidos de .longitud. Eran, en otras palabras, tetranucleótidos. A Le­ vene le pareció que éstas debían de representar 166

el grupo prostético de las nucleoproteínas. Tam ­ bién parecía ló g ic o suponer que cada tetranucleótido estaba compuesto p o r cada uno de los cuatro núcleotidos diferentes. Desgraciadamente, las conclusiones de Levene estaban basadas en observaciones que no p o­ dían refleja r una imagen real. Su m étodo para desprender el ácido nucleico de la proteína reque­ ría la utilización de ácidos y álcalis. Éstos des­ prendían el ácido nucleico, pero también descom­ ponían la cadena nucleótida en pequeños frag­ mentos. Y eran estos fragm entos lo que Levene estudiaba. Finalmente, otros bioquím icos aplicaron mé­ todos de aislamiento más suaves y obtuvieron r e ­ sultados diferentes. Aislaron ácidos nucleicos que consistían en cadenas de más de cuatro nucleótidos. P oco a poco, se puso de m anifiesto que la teoría de la estructura tetranucleótida del ácido nucleico era errónea. Durante los años 40 se o b ­ tuvieron cadenas más y más largas; en los 50 se obtenían muestras de A R N con moléculas que contenían m il nucleótidos y muestras de ADN con moléculas que contenían veinte m il nucleóti­ dos. Pero quizá estos últim os valores sean exage­ rados. Es posible que, con los procesos de separa­ ción actuales, queden unidas ligeram ente varias moléculas de ácido nucleico, haciendo que las ca­ denas nucleótidas parezcan más largas de lo que son en realidad en los tejidos. En la actualidad se calcula que un gen puede consistir en una molécula de ácido nucleico fo r­ mado por una cadena de 200 a 2.000 nucleótidos. 167

D IV E R S ID A D D E L A CAD ENA Pese a la revelación d e q u e los ácidos nucleicos pueden ser tan grandes o m ás qu e las proteínas (u n ácid o nucleico com pu esto s ó lo p o r 200 nucleótid os es tan gran de co m o una m olécu la de h em oglob lin a ), la teo ría de la estructura tetranucleótíd a subsistió durante algún tiem p o, aunque en una versión m od ificada. S e ad m itía qu e una m olécula de á cid o nucleico fu era algo m ás que cuatro nu cleótidos d iferen tes com bin ados en una cadena corta, p e ro se sugería qu e la m olécu la p o ­ d ía con sistir en cuatro n u cleótidos d iferen tes re­ p etid os una y o tra ve z fo rm a n d o una cadena larga. S i la teoría de la estructura tetran u cleótid a así m od ifica d a fu era correcta, n o se p o d ría esperar q u e los ácidos nucleicos fu eran los p ortad ores del cód igo genético. Sem ejan te tetran u cleótid o m últi­ p le sería, sim plem ente, com o una la rga «fr a s e » qu e rep itiera « y ... y ... y ... y ...». S i la m olécula de alm id ón es, sim plem ente, « glucosa-glucosa-glucosa-glucosa » , e l ácid o nuclei­ c o sería «tetranucleótido-tetranucleótido-tetranuc le ó tid o ». E l que un tetran u cleótid o sea siete v e ­ ces y m edia más gran de qu e una m olécu la d e glu ­ cosa no im porta. Una fra se qu e liga «in ven ciblein ven cible-in ven cible» n o es m ucho m ás expresiva qu e la qu e d ic e : «y-y-y», a p esar de que en el p rim e r caso la palab ra es más la rga e im p re s io ­ nante. D e m anera qu e cuando, en 1944, se publicaron los experim entos de A very, M acL eod y M cC arty (véa se la págin a 135), Jos b ioqu ím icos em pezaron a pensar, con cierta desazón, qu e la te o ría d e la 168

estructura tetranucleótida, p o r más que se m odi­ ficara, no era correcta. E l ácido nucleico llevaba la inform ación genética; el m odelo tetranucleótido no podía llevarla. Además, el estudio de las transformaciones bacterianas reveló que existían extensas variedades de ácidos nucleicos, cada una de las cuales podía provocar una transformación determinada, pero no otras. Ello no sería posible si la teoría de la estructura tetranucleótida fuera correcta. Entonces empezó a dedicarse m ayor atención a los ácidos nucleicos. Afortunadamente, en 1944, el mismo año en que Avery, MacLeod y McCarty revolucionaron las teorías existentes sobre los ácidos nucleicos, Mar­ tin y Synge desarrollaron la técnica de la croma­ tografía del papel. Aunque en un principio esta técnica se aplicó a los aminoácidos, pudo adaptar­ se fácilmente a las purinas y pirimidinas.* La di­ rección a seguir parecía clara: descomponer los ácidos nucleicos, separar las purinas y pirim idi­ nas, analizar la mezcla purina/pirimidina por cro­ matografía del papel y luego averiguar si los cua­ tro están presentes en cantidades iguales. Si así era, la teoría de la estructura tetranu­ cleótida podía ser correcta. Según esta teoría, las purinas y pirimidinas debían repartirse así: 1-2-34-1-2-3-4-1-2-3-4... por lo que de cada una habría igual cantidad. Pero también podía haber canti­ dades iguales distribuidas al azar. * En realidad, la crom atografía del papel podía adaptarse, y lo fue, a casi cualquier mezcla de sustancias afines y en los pocos años transcurridos desde su desarrollo, esta técnica se ha convertido en un instrumentó indispensable en todas las ramas de la Bioquímica.

169

■; P o r o tro lado, si e l análisis de la m ezcla purina/pirim idina revelaba que cada elem ento se hallaba presente en núm ero distinto, ya no cabría duda: la teoría de la estructura tetranucleótida estaría descartada. Y así fue. Uno de los más asiduos investiga­ dores del problem a fu e E rw in Chargaff. En 1947, obtenía ya resultados que revelaban no sólo que purinas y pirim idinas se daban en cantidades di­ ferentes en los ácidos nucleicos sino tam bién que la proporción de un nucleótido respecto a otro variaba en cada ácido nucleico. La teoría de la estructura tetranucleótida había m uerto. A principios de los 50, C hargaff dem ostró tam ­ bién que, en realidad, los distintos nucleótidos estaban dispuestos en un orden aparentemente casual. S i ello se confirm aba, el núm ero d e dispo­ siciones dentro de un polinucleótido p od ía ser m uy grande. T a l vez no tanto com o el d e las de una cadena polipéptida de tam año sim ilar, p o r supuesto, ya que el polipéptido puede tener has­ ta 22 unidades diferentes que disponer, m ientras que la cadena polinucleótida tiene sólo cuatro. Así pues, una cadena polipéptida compuesta p o r 20 am inoácidos diferentes puede combinarse de unas 2.400.000.000.000.000.000 (dos trillones cuatrocientos m il billon es) de form as, m ientras que una cadena polinucleótida com puesta p o r 20 nucleótidos puede com binarse con p o c o más de 1.100.000.000 de variaciones. Es decir, la cadena polipéptida tien e la facul­ tad de fo rm a r más de dos m il m illones de com ­ binaciones más qu é una cadena polinucleótida com puesta p o r un número de unidades similar. 170

Pero, ¿quién ha dicho que las cadenas polinucleótidas no pueden tener más unidades que las que posee una p ro teína? Tomemos una cade­ na polinucleótida que contenga el doble de nucleótidos que aminoácidos tiene una determinada cadena polipéptida. En una y otra puede darse un número de disposiciones aproximadamente igual. La lim itación de no contar más que con un máximo de cuatro unidades diferentes en lugar de 2, se compensa doblando la longitud de la cadena más limitada. Y resulta que la molécula de ácido nucleico media contiene no ya dos veces sino hasta cinco veces más unidades que la molécula de proteína media por lo que, en suma, la molécula de ácido nucleico tiene más posibilidades de form ar dispo­ siciones diferentes. A principio de los años 50 ya no se dudaba de que las moléculas de ácido nucleico n o sólo po­ dían ser portadoras del código genético sin ayuda, sino que lo eran realmente. Pero, ¿por qué realizaba esta función el áci­ do nucleico y no la proteína? En la Ciencia siempre es aventurado pregun­ tar «¿ P o r qué?». N o obstante, también puede ser interesante. Desde luego, no hay que olvidar que la respuesta al «¿ P o r qué?» es siempre un poco aleatoria y que no puede compararse con la con­ tundencia de la respuesta a la pregunta «¿Q ué?» En este caso, m i opinión es que las proteínas son demasiado complejas y tienen demasiadas unidades. Pretender que una proteína almacene el patrón de la estructura proteínica y lo conser­ ve intacto de división celular en división celular y 171

de generación en gen eración d e l organ ism o tal v e z sea m ucho pedir. E xisten dem asiados puntos en los qu e puede in trodu cirse e l error. Supongam os que, p o r e l con trario, la in form a­ ción se alm acena en una cadena polinucleótida. E sta tiene un espinazo d e azúcar y fo s fa to consis­ tente en an illos de átom os acum ulados qu e •es m ucho más robu sto qu e la m édula poliglicín ica, relativam en te endeble, de las m oléculas de p ro ­ teína, que es una sim ple cadena de átom os. Ade­ más, la cadena polin u cleótida, co n sólo cuatro uni­ dades diferentes, o fre ce al cuerpo una «e le c c ió n »' en cada una de las posiciones, só lo en tre cuatro unidades, en lu gar de vein tidós, p o r lo que el o r­ ganism o está m enos expuesto a confundirse.

E N T R A L A H ÉLICE A u n así, n o es fá c il responder a la pregunta de c ó m o e l cód igo genético puede m antenerse intac­ to de célula en célula y de generación en genera­ ción. Aun adm itiendo que una cadena polinucleó­ tid a p u ed e ser más apta p ara esta función que una cadena polipéptida, e l recon ocerlo así n o nos p erm ite explicarnos c ó m o se conserva e l código. E l p rim er paso en busca de la respuesta se d io p o r las mismas investigaciones (d e l núm ero de purinas y p irim id in as) que dem olieron la teoría de la estructura tetranucleótida. Las desigualdades observadas en tre purinas y p irim idinas no parecían en un p rin cip io d e ja r lu gar a una esperanza de orden. E n general, el núm ero de grupos de adeninas era m a y o r qu e el 172

de grupos d e guaninas, p o r ejem p lo, diferencia qu e variaba según la especie. En los ácidos nu­ cleicos ob ten idos d e los erizos de m a r había e l doble de adeninas que de guaninas. E n e l ácido nucleico hum ano había sólo una ve z y m ed ia más. En algunas especies, la d iferen cia se in vertía y los grupos de guaninas eran más num erosos qu e las adeninas. N o obstante, con e l tiem p o se apreciaron cier­ tas regularidades de carácter general qu e parecían comunes a todas las especies y criaturas, desde e l hom bre hasta los virus: 1.° E l total de adeninas parecía s e r aproxim a­ dam ente igual a l to ta l de las tim inas d el A D N (o al de los u racilos d el A R N ) en to d o s los ácidos nucleicos estudiados. 2.° E l total de adeninas parecía sensiblemen­ te igual al de las citosinas. 3.° E l to ta l de purinas (adenina más guanina) debía, p o r lo tanto, ser igual a l to ta l de pirim idinas (tim in a más citosina en e l A D N y uracil más citosina en e l A R N ). Eran éstas regularidades m uy interesantes y, com o dem ostraron los hechos, eran tam bién im ­ portantes pistas para descu brir la estructura del ácido nucleico. P ero, antes de p od er utilizarlas de­ bidam ente, se necesitaba una ap ortación crucial. Ésta llegó en 1953, cuando e l fís ic o inglés M . H . F. W ilk in s estudió los ácidos nucleicos p o r la d ifrac­ ción de rayos X y dos colegas suyos, un inglés, F. H . C. Crick, y un norteam ericano, J. D. W atson, que trabajaban en la U niversidad d e Cam bridge, utilizaron este tra b a jo para p rop on er una im por­ tante teoría sobre la estructura d el ácid o nuclei­ 173

co. E n la técnica d e d ifra c ió n d e rayos X (u tili­ zad a después p o r K e n d re w p a ra d eterm in a r la estructura trid im en sion al exacta d e las m oléculas d e p ro teín a s) se hace in c id ir un haz de rayos X en una sustancia. L a m a y o ría de los rayos X la atra­ viesan im pertu rbables, p e ro algunos eran des­ viados de la tra y ecto ria recta. S i los átom os e n tre los qu e pasan lo s ra yo s X n o están dispuestos d e fo r m a ordenada, las des­ viacion es son tam bién desordenadas. S i se hacen in cid ir sobre una p la ca fo to g r á fic a después de atravesar la sustancia, aparece un p u n to central qu e m arca la p osición d el haz p rin cip al. É ste ha­ b rá pasado sin desviarse y subsistirá p a ra oscu re­ c e r la placa. A lre d e d o r de este punto cen tra l se ob serva una neblina causada p o r los efec to s de los rayos X desviados. E s ta neblina se d ilu y e de fo rm a continua a m ed id a qu e se distancia d el pun­ t o cen tral y m uestra la m ism a inten sidad ( o de­ b ilita m ie n to ) en todos los ángulos en t o m o a l centro. S i los átom os en tre los qu e pasan lo s rayos X están dispuestos ordenadam ente, los rayos se des­ vían en unas direccion es m ás qu e en otras. Y es que, p o r así d ecirlo, los átom os ord en ad os se r e ­ fu erzan m utuam ente. E ste e fec to se acusa esp e­ cialm en te cuando los átom os observan u n orden p e rfe c to , p o r e je m p lo , en un cristal. U n haz de rayos X qu e atraviese un crista l fo rm a rá u n b on i­ to d ib u jo sim étrico de puntos q u e irra d ia n d el fo c o central. P o r las distancias y ángulos de los puntos, se puede calcular la situación re la tiv a de los átom os en e l cristal. E sta m ism a técnica puede a p licarse a las ma174

crom olécu las cuyas unidades se rep iten ordena­ dam ente. E l o rd en n o es tan s im étrico c o m o en e l cristal, p e ro existe un orden. L a im agen de la di­ fra c c ió n d e los rayos X es m ás d esd ib u jada y d ifí­ cil de in terp reta r, p ero n o es una nebulosa am or­ fa n i carece de in terpretación. W a tson y Crick, trab ajan d o hacia atrás a par­ t i r d e los datos de d ifra c c ió n de los ra yo s X , sa­ caron la con clu sión de qu e la m olécu la d e ácido

a z ú c a r -f o s f a t o

a z ú c a r-fo sfa to

m é d u la 2

m é d u la t

F igu ra 47.

La hélice doble del ácido nucleico

175

nucleico estaba dispuesta en fo r m a d e h élice. L a h élice es una fig u ra en fo rm a d e escalera d e ca­ racol, m al llam ada « d e e s p ira l», y a qu e la espi­ ra l es una figu ra plana, algo así c o m o un m uelle de r e lo j, m ientras qu e la hélice es una cu rva tri­ dim ensional, com parable a un m u elle de som ier. Esta conclusión no fu e en s í una novedad. C om o ya queda dicho, la cadena p o lip ép tid a puede doblarse. Pues bien, en 1951, los qu ím icos nor­ team ericanos Linus B. Pauling y R . B . C orey d e ­ m ostraron qu e las cadenas p olip ép tid as de p r o ­ teínas tales co m o e l colágen o están dispuestas en hélices sujetas p o r enlaces de h id rógen o.* N o obstante, el m od elo de m oléculas de ácid o nucleico prop u esto p o r W atson-C rick d ifie re del m od elo de p roteín a de Pauling-Corey. E l ácid o nucleico de W atson-C rick está fo rm a d o p o r dos cadenas p olin u cleótidas que com ponen una h é li­ ce entrelazada en t o m o a un e je c o m ú n : Las m o ­ léculas azú car-fosfato constituyen las líneas de la hélice, m ientras qu e las purinas y p irim idinas apuntan hacia el in te rio r o cen tro, c o m o indica la figu ra 47. É ste es e l m od elo que, al fin , h izo en ca ja r to ­ dos los datos que con tan to esfu erzo habían sido recogidos sobre las p rop orcion es d e purina y pi­ rim id in a y que, com o verem os en e l cap ítu lo si­ guiente, .p erm itiría a b o rd a r de in m ed iato e l p ro­ b lem a de la rep rod u cción .** * P o r este tra b a jo y p o r la gran la b o r realizada an terior­ m en te sobre lo s enla ces en tre átom os, Pauling rec ib ió e l Pre­ m io N o b e l d e Q uím ica en 1954. * * P o r su la b o r en este cam po. W ilkin s. W atson y Crick com p artieron e l P re m io N o b e l d e M edicin a y F isiología en 1962.

Capítulo IX FILAMENTOS COMPLEMENTARIOS

L A COM BINACIÓN P U M N A / P IW M ID IN A Los dos filam entos helicoidales de la molécu­ la de ácido nucleico están unidos p o r enlaces de hidrógeno entre purinas y pirim idinas en los pun­ tos en los que estos últim os llegan al centro de la hélice. Pueden darse tres disposiciones: una purina puede estar enlazada p o r hidrógeno a otra puri­ na; una pirim idina puede estar enlazada p o r hi­ drógeno a otra pirim idina o una purina puede estar enlazada p o r hidrógeno a una pirim idina. Dado que la purina se com pone de dos anillos y la pirim idina de uno, la com binación purinapurina form a un largo tram o de cuatro anillos en­ tre filam ento y filam ento; una com binación pirim idina-pirim idina form ará un tram o corto de dos anillos y una com binación purina-pirimidina, un tram o m ediano de tres anillos. S i en una hélice doble se dieran las tres varie­ dades de com binación de anillos — o, incluso, dos— los dos filam entos quedarían separados en­ tre sí p o r distancias variables. E l m odelo WatsonCrick, según se deduce de los datos obtenidos por 179

la difracción de rayos X , indica que ello es impo­ sible. Los filamentos se separan a intervalos igua­ les a todo lo largo de la hélice; por lo tanto, los enlaces han de ser siempre purina-purina, pirimidina-pirinxidina o purina-pirimidina. (En el A R N una m olécula de uracilo se ria eliminada, con lo que se suprim iría

F ig u r a 4 8 .

C o m b in a c ió n a d e n in a -tim ln a

Ahora bien, si la combinación fuera invariable­ mente purina-purina, no habría pirimidinas en las moléculas y, si fuera siempre pirimidina-pirimidina, la molécula no tendría purinas. Puesto que no se ha hallado en la Naturaleza ninguna molécula de ácido nucleico que no tenga a la vez purinas y 180

pirixnidinas, tenemos que elim inar las uniones purina-purina y pirimidina-piriniidina. •

e n la c e s d e v < , h id ró ge n o

c ito sin a gu a n in a filam ento

fila m e n to

i F ig u ra 49.

L a c o m b in a c ió n g u a n in a - c it o s l n a

Así pues, la única com binación posible es purina-pirimidina. A todo lo largo de los filam entos helicoidales, cuando una purina se alarga hacia el interior desde su soporte medular, una pirimidina hace otro tanto desde el punto correspon­ diente del suyo y ambas se unen en e l centro m e­ diante enlaces de hidrógeno. Desde luego, existen dos purinas y dos pirimidinas diferentes, p o r lo que es preciso averiguar qué purina y qué pirim idina se enlazan. P ero esta pregunta tiene fácil respuesta. Dado que en todas las moléculas de ácido nucleico analizadas, e l nú­ 181

m ero de timinas (o uracilos) y e l de adeninas han resultado ser iguales al de citosinas, es evidente que una adenina debe enlazar por átomos de hi­ drógeno con una timina (o uracilo) y una guani­ na, siempre, con una citosina. Sólo así puede man­ tenerse la perfecta igualdad. La combinación adenina-timina se indica en la figura 48: la combinación guanina-citosina, en la figura 49. Es interesante observar que en la combinación adenina-timina y en la combinación guanina-citosina uno de los dos átomos de hidrógeno e nlaza un N y un O. S i la timina tuviera que imirse con la guanina, se produciría un enlace de hidrógeno N-N y un enlace de hidrógeno O-O; si se unieran la citosina y la adenina, habría dos enlaces de hidró­ geno N-N. En ninguna de estas dos uniones «erró ­ neas» habría un enlace de hidrógeno N-O. En suma, mientras la distancia entre los fila­ mentos de azúcar-fosfato se mantenga constante, mientras tanto las purinas com o las pirimidinas sean partes esenciales de la molécula, mientras hayan enlaces de hidrógeno del tipo N-O, pode­ mos estar seguros de que hemos de encontrar las combinaciones adenina-timina (o uracilo) y guanina-citosina y sólo éstas. De manera que los dos filamentos de la m olé­ cula de ácido nucleico son complementarios. N o son idénticos sino que se combinan por oposición, por así decirlo. Si averiguamos el orden exacto de los nucleótidos del filamento 1 de cualquier m olé­ cula de ácido nucleico, sabremos de inmediato el orden exacto de los nucleótidos del filamentp 2 de la misma molécula. Donde en el filamento 1 hay 182

adenina en e l 2 habrá tim ina y viceversa ( o msh cilo en lugar de tim ina si se trata de A R N ). S i e l filam ento 1 tiene guanina, el 2 tendrá citosina y viceversa. Para sim plificar, representaremos la adenina p or una A, la tim ina por una T, la guanina p o r una G y la citosina por una C. Si en una cadena de A D N la sucesión de nucleótidos es ATTTGTCCACAGATACGG, en el acto sabremos que la sucesión de nucleótidos de la parte correspondiente de la otra cadena será TAAACAGGTGTCTATGCC * Y no nos equivocaremos. E n este aspecto, la Naturale­ za es, por lo menos, tan lista com o nosotros.

DOS P O R UNO El m odelo de hélice doble desarrollado por W atson y Crick para la representación del ácido nucleico allanó el terreno para nuevos avances. W atson y Crick propusieron la idea de que en la división celular, las distintas moléculas de ácido nucleico que form an los genes y cromosomas se reproducen por un proceso en el que cada fila­ mento sirve de m odelo para el otro. Para sim plificar, tomemos una molécula de AD N compuesta por el filam ento doble normal pero con sólo cuatro nucleótidos en cada filamen­ to. E l filam ento A consiste en nucleótidos que tie­ nen, por este orden: una adenina, una citosina, una adenina y una guanina: ACAG. E l filam ento • L o mismo puede decirse del A R N timina p or el uracil.

si sustituimos la

183

B, naturalm ente, consistirá en nu cleótidos que contengan, p o r este orden: una tim ina, una gua­ nina, una tim in a y una citosina: TG TC . A h ora se separan. E l fila m en to A hace d e m o ­ d elo. U tiliza nu cleótidos libres qu e la célula pue­ de fa b ric a r fácilm en te y que, p o r lo tanto, se ha­ llan disponibles en to d o m om ento en cantidad y variedad. • E l p rim e r nu cleótido d el fila m en to A contiene una adenina qu e autom áticam ente form a rá un enlace d e hid rógen o con una m olécu la d e ácido tim idílico. E ste acto n o persigue un « f in » . Las m oléculas chocan con la adenina p o r e l m ovim ien­ to natural qu e agita constantem ente a todas las m oléculas de la célula. Con algunas de ellas la adenina puede fo rm a r enlaces de hidrógeno. E l más fírm e de estos enlaces se produ ce cuando una tim ina choca en debida form a. L a tim ina susti­ tuirá a cualquier m olécula ya enganchada y no será sustituida p o r otras. Después d e un p erío d o de tiem p o, co rto p ara la apreciación humana (una m ilésim a de segundo o m enos), p ero lo bastante largo com o p ara que puedan producirse m illones de colisiones, e l extrem o de tim in a d el á cid o ti­ m id ílico queda firm em en te su jeto en su lugar. D e igual m odo, e l segundo n u cleótid o del fi­ lam ento, que contiene una citosina, se u n irá a un ácido guanílico. E n resumen, e l AC AG d el filam en­ to aislado A form a rá un filam en to T G T C a su lado. M ientras, e l filam en to aislado B form a rá un ACAG al la d o de su p ro p io TG TC . En lu gar del fila m en to doble origin al habrá ahora dos filam en tos dobles idénticos, c o m o indica la figu ra 50. E ste m od elo de la estructura y reproducción 184

uci acido nucleico propuesto p o r Watson^Cridk « • tan claro y sencillo («elegan te» es el adjetivo que emplearían los científicos) y tan expresivo que otros bioquímicos sintieron inmediatamente el deseo de adoptarlo. Al fin y al cabo, los científi­ cos son seres humanos y una teoría realmente atractiva se recomienda sola. N o obstante, por muy atractiva que sea una teoría, siempre es preferible poseer pruebas con­ cluyentes que la corroboren. Pensemos, pues, que en el modelo de reproduc­ ción del ácido nucleico de Watson-Crick los fila­ mentos polinucleótidos individuales de ADN nunT _ G _ T_

\

íilam ento

filam ento

hidrógeno á c id o nu cleico original

filam ento a isla d o A

n u cle ó tid o s lib res

filam ento a isla d o B

D o s á c id o s n u cle ic o s id é n tico s al original Figura 50.

Duplicación

185

ca se rom pen. E s posible que un p a r de filam en­ tos se separen y atraigan nucleótidos libres para fab ricar un nuevo filam ento, p ero el v ie jo fila­ mento se m antiene intacto. Desde luego, cuando la célula m uere todos sus polinucleótidos se dis­ gregan, pero m ientras dura la vid a subsisten. Su­ pongamos que se hace un experim ento que nos da un resultado si los filam entos se rom pen, y o tro si perm anecen intactos. E llo se hizo en 1958. Se cultivaron bacterias en un m edio que contenía gran cantidad de una variedad pesada de átom os de nitrógeno («nitrógeno-15», en lugar del «nitrógeno-14» corrien te) que pueden distinguirse fácil­ m ente de los corrientes con ayuda de los instru­ mentos m odernos. P oco a poco, las bacterias que crecían en este m edio fueron incorporando el ni­ trógeno-15 en los diferentes com puestos que sinte­ tizaban y, especialmente, en nuevos filam entos de polinucleótidos. Después de que las bacterias estuvieran m ultiplicándose durante mucho tiem ­ po, prácticam ente todos los filam entos polinucleó­ tidos contenían nitrógeno-15. Cada m olécula de ácido nucleico que contenía dos de estos filam en­ tos podía denominarse «15-15». . Después, algunas de las bacterias con e l A D N «15-15» fueron trasladadas a un m edio que con­ tenía el nitrógeno-14 corriente y se las m antuvo en él exactamente durante dos generaciones. ¿Qué creen que ocurrió? S i los filam entos polinucleótidos se rompían en pequeños fragm entos, tal vez en nucleótidos in­ dividuales, y luego se reconstruían, todos los fila­ mentos polinucleótidos form ados durante aquellas dos generaciones contenían nitrógeno-15. Estaba 186

d ilu id o y aclarado p o r e l in flu jo d el n itrógen o c o ­ rrien te de 14 átom os, p o r lo qu e los nuevos fila ­ m entos tenían m enos nitrógeno-15, p e ro todos te ­ nían algo d e nitrógeno-15. Los ácidos nucleicos seguían siendo «15-15», y era im posible d istinguir un ácido nucleico de cualquier otro. P e ro supongamos qu e el concepto W atsonC rick fu era cie rto y qu e los filam en tos n o se rom ­ pieran. En la p rim era reproducción, cada uno de los ácidos nucleicos «15-15» se separaría en dos filam en tos «15»* U tilizando cada uno de ellos c o ­ m o m od elo, se fab ricarían nuevos filam entos; és­ tos, sin em bargo, s ó lo contendrían nitrógeno-14, d e m anera que la nueva generación de ácidos nu­ cleicos — form ados cada uno p o r un filam en to nuevo y o tro v ie jo — serían todos «15-14». A la segunda reproducción, los dos filam entos de los nuevos ácidos nucleicos v o lv ería n a sepa­ rarse. E sta vez, la m itad de los filam en tos m ode­ lo serían «1 5 » y la otra m itad, «1 4 ». P e ro todos los filam entos nuevos/ form a d os en esta segunda reproducción, serían «1 4 ». P o r lo tanto, la tercera generación de ácidos nucleicos v o lvería a desglo­ sarse en dos categorías, una com puesta p o r «1514» y la otra, p o r «14-14». Después d e dos generaciones, se analizaron cuidadosam ente los ácidos nucleicos y, desde lue­ go, se encontraron dos tipos, uno con nitrógeno15 y e l otro, sin él. Análogos resultados se obtu­ v iero n en los experim entos realizados en los la b o ­ ratorios de Brookhaven, u tilizando células de plantas en d esarrollo e hidrógeno radiactivo. Fi­ nalm ente; se encontraron algunos crom osom as ra­ diactivos y o tro s que n o lo eran. 187

E llo n o demuestra que e l concepto Watson* Crick sea correcto, aunque, eso sí, aumenta su plausibilidad. S i los resultados hubieran , apun­ tado en el sentido contrario — si todos los ácidos nucleicos nuevos hubieran sido «15-15», p o r ejem ­ plo— el concepto Watson-Crick habría quedado com pleta y definitivam ente descartado. . Pero no lo fue. En realidad, todas las investi­ gaciones realizadas en los años transcurridos des­ de que W atson y Crick propusieron su teoría han tendido a reafirm arla y hoy en día son pocos los bioquím icos que no la aceptan. Desde luego, se han detectado algunos virus que parecen tener moléculas de ácido nucleico compuestas de un solo filam ento polinucleótido, y son virus que consiguen reproducirse. P o r lo visto, ello se debe a que la reproducción se efec­ túa en dos fases: el filam ento individual produce su complemento y, luego, el com plem ento produ­ ce una réplica del filam ento original. Evidentemente, este m étodo es menos eficaz que e l corriente de filam ento doble, porque com ­ porta descartar la m itad de los filamentos fo r­ mados. Este m étodo del filam ento individual, aun­ que también funciona, parece estar lim itado a unos cuantos virus. La m ayoría de los virus y, p o r lo que ha podido averiguarse hasta ahora to ­ das las criaturas celulares, se reproducen p o r el m étodo del filam ento doblé. E l m odelo de reproducción propuesto p o r Watson y Crick supone que un filam ento polinucleó­ tido puede mantenerse intacto durante toda la vida de un organismo determinado. Puéde encon­ trarse casualmente en la célula del óvulo o en la 188

célula esperm ática, p asar a un nuevo organism o y con tinuar durante tod a la vid a de éste. En te o ­ ría, hasta es p osib le que, en algún lu ga r d el m unj d o, existan filam en tos p olin u cleótidos transm iti­ d os a través de in fin id a d d e generaciones, quizás incluso desde la p rim era aparición d e la vida. Desde luego, e llo es p o c o probable. L a m ayo­ ría de los fila m en tos polin ucleótidos perecen con e l organ ism o y s ó lo una m in oría in sign ifican te se introdu ce en e l ó vu lo fecu ndado y resisten du­ rante o tra generación. Puede ser que todos los f i ­ lam entos polin ucleótidos de esta m in oría insig­ nifican te sean secundarios, es decir, qu e hayan sido form a d os durante la vid a de los p ro gen ito ­ res. En este caso, es p osib le que en realid ad exis­ tan m uy pocos filam en tos p olin u cleótidos en el m undo que tengan más de cien años. N o obstante, la p osib ilid ad de qu e haya entre los filam en tos existentes un superpatriarca cuya form ación date de los tiem pos en los qu e la T ie ­ rra era jo v e n nos o fre c e un atisbo im presionante de la unidad y continuidad de la vida.

ERRORES ¿E s siem pre p erfecta la reprodu cción ? (¿ H a y a lgo qu e sea siem pre p e rfe c to ? ) Supongam os que el fila m en to A tien e una tim ina en una posición determ inada, preparada para con ectar con una adenina. Y supongam os que una guanina incide en la tim ina en el ángulo p reciso para fo rm a r un enlace de h idrógen o. E s posible que una adenina n o puede in terven ir con la rap idez necesaria para 189

desplazarlo, de m anera q u e se fo rm a la lín ea de nu cleótidos y con stitu ye un nuevo fila m e n to que f i j a a la inoportuna guanina en ese lugar. E n este caso, no dispondríam os d e un p a r de filam en tos A-B p erfectam en te com plem entarios sino que e l nuevo fila m e n to estaría un p o c o des­ fasad o y tendríam os A-B'. A la siguiente reproducción, los dos filam en ­ tos se separarían. E l fila m en to A fo rm a ría o tro fila m en to p erfectam en te com plem entario, y a que los accidentes son raros y n o suelen o c u rrir dos veces seguidas. P e ro m ien tras tan to, durante la m ism a etap a d e reproducción, e l fila m e n to B ' fo r ­ m aría su p ro p io com plem ento, A '. L a guanina in ­ trusa se u n iría a una citosina, en lu ga r de conec­ ta r con una tim ina, qu e es e l elem ento q u e debe­ r ía figu rar en A. E llo sign ifica qu e cuando el ácid o nucleico A-B' se reproduce, fo r m a dos tip os distintos de ácid o nucleico, A-B, y A ’-B\ Lu ego, cada uno de estos tipos se perpetúa en futuras reprodu ccio­ nes, a no ser q u e ocurran nuevos accidentes, p o r supuesto. E l á cid o n u cleico A '-B ' no p ro voca rá la fo rm a ­ ción de la m ism a enzim a qu e fab rica A-B. A l fin y al cabo, se trata de un patrón d iferen te; e l códi­ g o gen ético está alterado. L a presencia d e una en­ zim a d iferen te distorsiona e l p roceso qu ím ico de la célula, prod u cien d o una m utación p o r la cual en la célula h ija se da una característica qu e no se encontraba en la m adre. (A lgu n os creen que esta m utación celu lar produ ce una célu la con un m ecanism o defectu oso para la regu lación d e la d ivisión celular. Estas células defectuosas se di­ 190

viden y dividen hasta e l in fin ito, produciendo lo que llam am os cáncer.) S i e l nuevo ácido nucleico A'-B ' se introduce en una célula esperm ática u ovillar y de aquí pasa a un óvulo fecundado, todas las células del nuevo organism o la tendrán (salvo que se produzcan nue­ vos cam bios), p o r lo que la m utación afectará al nuevo organism o en su conjunto y no sólo a al­ gunas d e sus células. Tam bién puede introducirse una m utación a consecuencia de un rizo producido en los fila ­ m entos durante el proceso de reproducción. Una reproducción p erfecta requiere qu e todos los nu­ cleótidos que com ponen cada filam en to se en­ cuentren en disposición de ser bom bardeados p o r los nucleótidos libres, de m anera que cada uno de ellos pueda recibir su com plem ento adecuado. Pero supongamos que un filam en to se riza, con lo que los com ponentes que se encuentran dentro del rizo quedan fu era de servicio. Un filam ento norm al, dotado de una sección C TA G requiere en su com plem ento una sección GATC. A h ora bien, si la parte T A se encuentra anudada y C y G que­ dan yuxtapuestas, puede form a rse un com plem en­ to consistente sólo en G y C. A su vez, este fila ­ m ento anorm al form ará un com plem ento anor­ mal en la reproducción siguiente, produciendo una m olécula de ácido nucleico en la cual la sección T A , dentro del rizo, sea anulada permanente­ mente. Los nucleótidos de un filam en to de una m o­ lécula de ácido nucleico que esté en reposo tam ­ bién pueden alterarse p o r efecto de la reacción provocada p o r sustancias especialm ente activas 191

que i se encuentren en stís inmediaciones.. Estos cambios serán perpetuados p o r la reproducción; otra mutación. Cualquier factor del m edio am biente que aumente las probabilidades de la mutación se lla­ ma agente mutagérúco. E l calor parece ser mutagén ico: a medida que sube la temperatura, aumen­ ta e l índice de mutación de las bacterias de las moscas de la fruta (u otros pequeños organis­ m os). Quizás ello se deba a que un aumento de temperatura, por pequeño que sea, debilita nota­ blemente el leve enganche de los enlaces de hi­ drógeno. La diferencia entre la solidez de un en­ lace de hidrógeno de ácido nucleico con su anti­ complemento puede disminuir. En este caso, sería mucho más fácil sustituir la adenina adecuada por una guanina; mucho más fácil, pues, form ar una mutación. Otro agente mutagénico es la energía radian­ te que comprende tanto los rayos ultravioleta del sol com o los rayos X , así com o las diversas radia­ ciones producidas p o r las sustancias radiactivas. Todos ellos producen en la célula radicales libres. fistos suelen ser fragmentos de moléculas; gene­ ralmente, moléculas de agua que son, con mucho, las más numerosas en los tejidos vivos. Los radicales libres son muy reactivos y se combinan con cualquier molécula con la que en­ tran en contacto, alterándola. Si se form an radi­ cales libres en número suficiente, algunos de ellos tendrán que colisionar con moléculas de ácido nucleico y las alterarán. E l resultado será la mu­ tación. Si la dosis de radiación es muy fuerte, el códi­ 192

g o g en ético d e las células vitales puede resultar dañado hasta e l extrem o en qu e éstas n o puedan segu ir desem peñando sus funciones. E llo p rovoca la «e n fe rm e d a d de la ra d ia c ió n » e, incluso, la m uerte. E ste es e l p e lig ro qu e supone p a ra la H u­ m anidad una gu erra nuclear. T am bién hay elem entos qu ím icos que, a l com ­ binarse con m oléculas de á cid o n u cleico y alterar la estru ctura de éstas, aumentan e l ín dice d e m u­ tación. L o s más con ocidos de estos m utágenos quí­ m icos son e l gas m ostaza, em p lea d o en la P rim e ­ ra G uerra M undial y com puestos afin es llam ados «m ostazas de n itrógen o». Inclu so en las circunstancias en las qu e e l con­ tacto sea más leve, se producen m utaciones, ya qu e los agentes m utagénicos n o pueden ser elim i­ nados p o r com p leto. E l sol inunda constantem en­ te todas las form a s de vid a con rayos u ltravioleta. Las sustancias radiactivas existentes en pequeñas cantidades en la tierra, el m a r y e l a ire tam bién em anan radiaciones. D esde la estra tosfera nos bom bardean partículas de radiaciones cósm icas. Y a to d o e llo hay que sum ar e l fa c to r d el aza r du­ rante el proceso de reproducción. En suma, los accidentes y las m utaciones son inevitables. P o r ejem p lo, existe una enferm edad, con ocida p o r e l n om b re de h em o filia , qu e im pide que la sangre se coagule, p o r lo qu e una pequeña h erid a puede p ro d u cir la m uerte. E llo se debe a un « e r r o r co n gén ito » de los m ecanism os qu ím icos d el cuerpo. E l h e m o fílic o nace co n la incapacidad de fa b ric a r la enzim a o enzim as qu e son indispen­ sables en algún m om en to d el enorm em ente com ­ plicad o p roceso de la coagulación. Generalm ente, 193

ta l in capacidad p a ra p ro d u c ir una en zim a (d e b id a a la existencia en los crom osom as d e una m olécu ­ la d e ácid o n u cleico d efectu o sa ) es h ereditaria. N o obstante, tam b ién puede darse (p o r m u tación ) en un h ijo d e padres norm ales. E sta m u tación se produ ce en u n o de cad a trein ta m il nacim ientos. (P o r c ie rto qu e la m u tación n o siem p re se m a­ nifiesta. P o r causas q u e n o exam in arem os aquí, las m u jeres pueden ten er e l gen d efectu o so y , sin em b argo, p oseer una sangre qu e se coagu la n or­ m alm en te.) P e ro n o todas las m utacion es son resultado de un e r r o r destru ctivo. A lgu n os cam b io s — p o r p u ro aza r— pueden equ ip ar m e jo r a un organis­ m o p ara p ro sp era r en su m ed io am bien te. E n de­ fin itiv a , éste es el reso rte qu e d eterm in a la e v o ­ lu ción p o r selección natural. P o r lo tan to, más de un siglo después de que D arw in , a b ase d e una la b oriosa observación , fo rm u la ra su teo ría de la evolu ción de los organism os, los h om b res d e cien­ cia la c o rro b o ra n a l n ive l d e las m oléculas.

F IL A M E N T O S H ECH O S P O R E L H O M B R E E n la rep rod u cción d el á cid o nucleico, los di­ versos n u cleótidos lib res deben im irs e e n tre sí una v e z han ocu p ado sus resp ectivos lu gares en la cadena. A p arentem en te, e llo se rea liza en dos etapas. P rim eram en te, se añade a l n ú cleó tid o un segundo fo s fa to su jeto, p o r así d e cirlo , a la c o la d el p rim e r fo sfa to . E l resu ltad o es u n «d ifo s fa to ». E ste segundo fo s fa to es su stitu ido p o r e l nucleótid o in m ed iato, co n lo qu e los d os n u cleó tid os que­ 194

dan conectados p o r un gru p o fo s fá tic o secunda­ rio . E llo ocu rre en tod a la línea y así se fo rm a una cadena polinucleótida. E sta reacción debe ser catalizada p o r una en­ zim a. S evero Ochoa, en 1955, b io q u ím ic o español, nacionalizado estadounidense, aisló de las bacte­ rias precisam ente esta enzim a. A l agregar esta enzim a a una solución d el n u cleótid o de la va rie ­ dad d ifo sfá tica se ob tu vo un sorprendente aumen­ to de viscosidad. L a solución se espesó y adqui­ r ió una consistencia gelatinosa, buena prueba de qu e se habían form a d o m oléculas largas y del­ gadas. Partien do de un s o lo tip o de com puesto, p o r. ejem p lo, difosfato de adenosina (denom inación d el ácid o ad en ílico qu e posee un segundo grupo fo s fá tic o ), sé fo rm a una larga cadena polinucleó­ tida, com puesta p o r una serie de ácidos adenílicos. Es e l ácido p o lia d e n ílico , es decir* AAAAAAA A ... A p a r tir del d ifo sfa to de u ridina puede o b ­ ten erse/ p or síntesis, e l ácido p o liu ríd ico o UUTJUU U U U ... E tcétera. T am bién se puede p a rtir de dos, tres o cuatro d ifosfatos distintos y ob ten er cade­ nas polinucleótidas de dos, tres o cuatro co m p o ­ nentes. E n un p rin cipio, la form a ció n de las cadenas es lenta; existe una especie de «p e r ío d o de puesta en m arch a». A l cabo de un tiem po, cuando una p a rte de la cadena ya está form ada, ésta se cons­ tituye en e l núcleo en to m o al cual se puede ope­ ra r y la reacción se acelera. In clu so puede e lim i­ narse el p e río d o de puesta en m archa agregando al em pezar algo de polinucleótido, en calidad de «c e b a d o ». 195

= S i a una solución d e 'd ifo s fa to d e adenosina se agrega ácid o poliadenílico, se fo rm a rápidam ente más ácid o poliadenüico. P e ro si a una solución de d ifo sfa to de adenosina se agrega ácido polhirid ílic o la form ación de ácid o poliad en ílico n o se acelera. E l ácido p oliu rid ílico n o es un buen « c e ­ b a d o ». Ochoa rea lizó su tra b a jo sobre A R N . A l año siguiente, 1956, el b ioqu ím ico norteam ericano A rthur K o m b e rg , hizo o tro tanto sobre A D N . É ste aisló una enzim a qu e puede fo rm a r largas cad e­ nas polinucleótidas a p a rtir de desoxinúcleótidos individuales y se encontraron tres (n o d o s ) grupos fosfáticos. Estos nucleótidos son los «tr ifo s fa to s » (e l trifo s fa to de adenosina o A T P , m encionado anteriorm ente, es uno de ellos). P ero K o m b e r g n o fo rm ó variedades de A D N compuestas p o r una sola éspecie de nu cleótido (o, p o r lo menos, n o con esta enzim a concreta). Las cadenas de A D N se form aron sólo cuando se ha­ llaban presentes, en solución, las cuatro clases distintas de desoxinúcleótidos. L o q u e es más, sólo se fo rm ó A D N cuando en la solución, además de los trifo sfa tos existía ya una m uestra de A D N de cadena larga.* AJ parecer, la form ación en la prob eta de las dos variedades de ácido nucleico se realizaba de m odo d iferente. E l A R N se form a b a p o r la adi­ c ió n de un nucleótido a otro, sin necesidad de m odelo. E l «c e b a d o r » sólo servía de núcleo para la form a ció n de más nucleótidos; además, las ca­ denas form adas eran idénticas al cebador. E l * P o r este trabajo, Ochoa y K o m b e rg com p artieron el Pernio N o b e l d e M edicina y Fisiología de 1959.

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■É3ESí2--fiBa^Ai contrario, parecía fo rm a rse p o r re* producción, incluso en lñ p ro b e ta .. . E llo es lógico, ya que e l ácido nucleico carac­ terístico de los genes y crom osom as es e l A D N y.n o el A R N . Y e l AD N, no e l A R N , es el m aterial, reproductor de las células. E sto no qu iere d ecir qu e la m olécula d e A R N no pueda dedicarse a la reproducción, com o de­ muestra la existencia de numerosos virus simples que sólo contienen A R N , p o r ejem plo, el y a men­ cionado virus del m osaico del tabaco, e l prim er virus que fu e cristalizado. Cuando este virus inva­ de una célula de la h o ja del tabaco se m ultiplica en su in ferior, form ando centenares de moléculas víricas. Cada nueva m olécula contiene una m olé­ cula de A R N distinta de las m oléculas de A R N del tabaco, p ero idéntica al A R N del virus intruso. Las nuevas moléculas de A R N sólo pueden haber sido form adas p o r reproducción. De todos modos, la vid a basada en la reproduc­ ción del A R N no es tan próspera com o la que de­ pende de la reproducción d el A D N . Los únicos exponentes de la prim era son los virus m ás sim­ ples, m ientras que los virus más com plicados y toda la vid a celular sin excepción conocida son producto de la reproducción del AD N. . N o obstante, tod a la vid a celular retien e A R N además de A D N y cada especie posee variedades características de A R N . ¿C óm o se fabrican y pre­ servan sin reproducción determ inadas moléculas de A R N a través de generaciones? L a respuesta parece ser que las moléculas de A R N pueden fabricarse utilizando el A D N com o m odelo. Así lo suponían muchos bioqu ím icos des­ 197

d e hacia años, pero ello no pudo com probarse definitivam ente hasta 1960. Entonces se descubrió que moléculas de A D N actuaban de cebadoras para la form ación de A R N a p a rtir de ribonucleótidos e, incluso, para la form ación de una molécu­ la de A R N com plem entaria del cebador de AD N. S i se utiliza com o cebador un A D N compuesto p o r un tip o único de nucleótido com o el ácid o polidesoxitim idílico (T T T T T T T ...) se fabrica una m olécula de A R N que, a sii vez, contiene también un único tip o de nucleótido. En este caso, será ácido poliadenílico (AA A A A A A A ...), dado que la timina y la adenina son complementarias. S i se utiliza com o cebador un A D N compuesto p o r ácido desoxitim idílico y ácido desoxiadeníli­ co, se form a un A R N compuesto p o r los ácidos adenílico y uridílico com plem entarios. P o r lo que ha podido observarse, los ácidos adenílicos se form an siempre fren te a los ácidos desoxitim idílicos, mientras que los uridílicos se form an frente a los desoxiadenílicos. L a form ación de un A R N com plem entario se produce aunque se hallen disponibles otros nu­ cleótidos de tip o no com plem entario. En otras pa­ labras, aunque en la solución se encuentren los cuatro nucleótidos, el cebador de AD N, compues­ to sólo de ácido desoxitim idílico elegirá únicamen­ te los ácidos adenílicos y dejará los demás. T od o ello son datos que no sólo demuestran que con m odelos de A D N se fabrica A R N , sino que corroboran la validez del m odelo de repro­ ducción propuesto p o r Watson-Crick. E n conclusión, e l AD N es, pues, e l portad or del cód igo genético en la vida celular. S i el A R N lo 198

lleva también, ello se debe a que el ADN le ha transmitido la información. En este caso, ¿qué falta nos hace el ARN? Si no es más que un «mono de imitación», ¿qué pin­ ta en todo esto? Vamos a verlo.

Capítulo X EL MENSAJERO DEL NÚCLEO

USOS D E L A R N Desde luego, antes de la publicación del m o d e­ lo W atson-C rick no se subestim aba la im portan ­ cia d el A R N , a pesar de qu e se sabía que n o era e l prin cipal com ponente de los crom osom as. P o r e l con tra rio, si acaso se le daba excesivo énfasis a causa d e la clara relación existente en tre e l A R N y la síntesis de las proteínas. La concentración de A D N en las distintas cé­ lulas de un organism o determ inado parece cons­ tante. Cada célula, esté o no creciendo, esté o no segregando m aterial, tien e la m ism a cantidad de A D N . E llo no debe sorprendernos, y a qu e cada célula tien e igual equ ipo de crom osom as y en ellos está el A D N . E n realidad, la única excep ción son las células ovulares y esperm áticas. É stas tienen sólo un crom osom a de cada par, es decir, la m i­ tad d el equ ipo; y a nadie sorprenderá qu e con­ tenga sólo la m itad d el A D N qu e se encuentra en las células corrientes. P o r el con trario, la concentración d el A R N en las distintas células de un organism o determ ina­ d o va ría con sid erab lem en te.. E xperim entos que datan de prin cipios de los años 40 han dem ostra­ 203

do invariablemente que la concentración de A R N es más fuerte allí donde el índice de la síntesis de proteínas es mayor. Las células en desarrollo son más ricas en A R N que las células en reposo; al fin y al cabo, una célula en desarrollo tiene que duplicar su contenido de proteínas desde el momento de su form ación hasta el de su división. Cuando una parte de un tejido está creciendo y otra no, la concentración de A R N es mayor en la parte que crece. Las células que form an secreciones ricas en proteínas — las del páncreas y el hígado, por ejem ­ plo— tienen también un alto índice de AR N . Por otra parte, si se introducen en las inmediaciones de la célula enzimas que provocan la descompo­ sición del A R N (sin afectar al A D N ) y se destru­ yen las moléculas de AR N , cesa la producción de proteínas. La suma de todas estas observaciones permite afirm ar que el A R N desempeña un papel impor­ tante en la síntesis de las proteínas. Y la síntesis de las proteínas es tan necesaria para la vida que a principios de los años 50 se apuntó la sugerencia de que el A R N era la variedad fundamental y vi­ tal de la molécula de ácido nucleico. De todos modos, esta hipótesis no prosperó. Las pruebas recopiladas han dejado bien claro que el A D N es el producto prim ario y el AR N , el secundario, obtenido según e l m odelo del ADN. Esta opinión está confirmada, además, por la cir­ cunstancia de que el A R N presente en los crom o­ somas representa menos del 10 p o r ciento del total del ácido nucleico, mientras que dentro del núcleo hay una pequeña estructura llamada nu204

cléoío ( o pequeño núcleo) que parece estar form a­ da por com pleto o en su m ayor parte por ARN. Así pues, parece razonable suponer que el AR N se form a continuamente en los puntos de los cro­ mosomas en los que está el ADN y se almacena en e l nucléolo. Dado que la síntesis de las proteínas se efec­ túa principalmente en e l citoplasma, aquí debe de estar el AR N . Y aquí está. En realidad, en el citoplasma se encuentra la m ayor parte del AR N celular, a pesar de que el ADN es aquí nulo. Ello significa que el A R N tiene que pasar del núcleo al citoplasma a medida que se form a. Durante estudios realizados con microscopio electrónico, se ha podido fotografiar m aterial en el momento de salir del núcleo y ser recogido por el citoplas­ ma, en form a de ampollas. Y estas llamadas «am ­ pollas» contienen ARN. Por consiguiente, el A R N recoge e l código ge­ nético del A D N de los cromosomas y lleva el men­ saje al citoplasma, donde supervisa la formación de proteínas. Antes, al describir la teoría gen/en­ zima, decía que parece que la única función de un gen determinado sea la form ación de una en­ zima determinada. Así es, pero no hay que pensar que ello ocurre en una sola etapa. E l gen deter­ minado (A D N ) form a un A R N determinado, el cual, a su vez, form a la enzima. Quizá debería llamarse la teoría ADN/ARN/cadena polipéptida. Resulta más fácil percibir la razón de este sis­ tema doble de ácidos nucleicos de la célula si lo comparamos con algo sim ilar ocurrido en la tec­ nología humana. Hace aproximadamente un siglo y m edio se implantó el sistema m étrico decimal 205

y, p o r p rim e ra vez, la C iencia dispu so d e u n siste­ m a de m edidas realm ente lógico. U na d e las unidades fundam entales d e l s is te ­ m a m étric o es e l «m e tr o », d efin id o en un p rin ci­ p io c o m o la diezm illon ésim a p a rte de la distancia en tre e l E cu ad or y el P o lo N o rte . A h o ra bien, co m o resu ltó qu e no se con ocía con exactitu d esta distancia, se pasó a d e fin ir e l m etro c o m o la d is­ tancia existente en tre d os trazos m arcados en una barra de p latin o-irid iad o que se guardaba en una cám ara acorazada con a ire acon dicionado, en un subu rbio de París.* L a b a rra se llam a «p r o to tip o internacional de m e tro ». A l adherirse a l tratad o qu e im plan tab a el sistem a m étrico a escala internacional, cada país recib ía una cop ia d el p atrón llam ada «p r o to tip o nacional de m e tro ». Cada nación, a su vez, u tiliza­ ba su p ro to tip o nacional para n orm aliza r los ca­ libres qu e fab ricab a p ara fin es industriales, co­ m erciales y tecnológicos. L o s p ro to tip o s nacionales se custodiaban cui­ dadosam ente, ya que, si ocu rría algún percance a los ú tiles d e m edida (o , lo qu e sería p eor, a la m aquinaria u tilizada para fa b rica rlo s), e l e rro r p o d ía corregirse co n e l p ro to tip o nacional. Y , si a éste le ocu rría un percance, incluso este e rr o r p o d ría corregirse recu rrien d o al p ro to tip o in ter­ n acional.** * E n e l M useo d e Piezas y M edidas. ** A l parecer, el p ro to tip o internacional tam p oco estaba a s a lv o d e p osibles percances, p o r lo qu e en 1960 se a cord ó a escala internacional establecer co m o base del sistem a m étri­ c o la lon gitu d de las ondas d e luz producidas p o r un tipo esp ecífico d e áto m o del gas d e crip tón , al calentarse. Ahora, las m ediciones se basan en un fen óm en o natural inm utable (e s d e esperar).

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Al parecer, el mecanismo de control d el ácido nucleico es similar. E l A D N es un «p roto tip o nu­ clear», equivalente al prototipo internacional del sistema m étrico. P o r lo tanto, se guarda a buen recaudo en el núcleo, apartado del borrascoso mundo del citoplasma. Las moléculas del A R N son los «p rototip os citoplásm icos», de m enor im ­ portancia, equivalentes a l prototipo nacional o, in­ cluso, a las varas métricas corrientes. Estas pue­ den arriesgarse en la ardua tarea de la síntesis de las proteínas. Hasta podemos hallar una razón plausible para explicar que el A D N lleve tim ina donde el A R N lleva uracilo. La diferencia entre estas dos pirim i­ dinas es mínima y se reduce a un único grupo me­ tílico. Además, este grupo m etílico está situado de manera que no interfiera en la form ación de en­ laces de hidrógeno con adenina (véase figura 48). E n el AD N, la adenina conecta con la tim ina y en el A R N , con el uracilo. N o parecen existir dife­ rencias de consideración entre una y otra cone­ xión. En realidad, cuando una molécula de ADN se reproduce, timinas conectan en las posiciones de la adenina; cuando la mism a molécula de ADN produce AR N , en estas posiciones conectan uracilos. A l parecer, no existe dificultad en cambiar de unas a otros. Puede ser (la suposición es m ía ) que e l uraci­ lo sirva simplemente para «id en tifica r» al ARN. Después de todo, uno y otro ácido nucleico corren distinta suerte. E l ADN permanece en los crom o­ somas constantemente mientras que el A R N sale, no ya de los cromosomas en los que se form ó, sino del núcleo. Cualquiera que sea el mecanismo que 207

p erm ite saUr d e l núcleo al A R N y m antiene en él al A D N tiene que p od er distinguirlos y e l factor de identificación no debe in terferir con la ejecu­ to ria d el ácido nucleico. ¿ P o r qué no utilizar, pues, p o r lo menos com o una parte de la operación de identificación, la carencia en e l A R N d e un insig­ nificante grupo m etílico que aparece periódica­ m ente en e l AD N?

E L L U G A R DE L A SÍNTESIS S i el citoplasm a es el lugar en el que el A R N sintetiza la proteína, vam os a exam inarlo un m o­ mento. E l citoplasm a no es un flu id o suave y h o ­ m ogéneo ni m ucho menos; es un com p lejo siste­ m a que contiene m iles y m iles de pequeños cuer­ pos de distintos tamaños, form as y funciones. Los más conocidos de estos pequeños cuerpos o partículas se llam an m itocon d ria s (d el griego «filam en tos gran u losos»). Las m itocondrias tienen fo rm a alargada, su diám etro oscila entre m edia y una m iera y su longitud puede ser d e hasta siete m ieras (la m iera es la m illonésim a p a rte del me­ tro ). En el citoplasm a de una célula m edia puede haber hasta 2.000 m itocondrias regularm ente dis­ tribuidas. H acia 1950 se desarrollaron sistemas para se­ parar e l núcleo de las células del citoplasm a y, después, separar las distintas partículas que exis­ ten en su interior. Cuando se pudo estudiar las mi­ tocondrias aisladas, se descubrió que son las «cen­ tra les» d e la célula. Es decir, prácticam ente todas las reacciones químicas qu e generan energía al 208

d escom p on er c a rb o h id ra to s o m olécu las lfpidas se p rod u cen en las m itocon d rias, las cuales co n ­ d en en todas las en zim as y coen zim as necesarias p a ra e s te fin . D urante los años 50 se tr a b a jó m ás y m ás con m icroscop io s e lectró n ico s qu e aum entaban la im a­ gen de las m ito co n d ria s lo su ficien te co m o p a ra q u e los c ie n tífico s pu d ieran a p recia r q u e son es­ tructu ras bastan te com p leja s. E l in terés p o r ellas c re c ió d e ta l m an era qu e las m ito co n d ria s e c lip ­ saron a o tra s p artícu las de la célula. H a y p artícu las m ás pequeñas, p o r e jem p lo , los llam ad os m ic r o som a s (d e l g rie g o «cu erp o s pe­ q u e ñ o s ») cu yo tam añ o es 1/10.000 d e l de la m itocon dria. D urante un tiem p o, n o se les p re s tó aten­ ción . In clu so lle g ó a pensarse qu e n o eran m ás qu e fra g m e n to s d e m ito co n d ria , desp ren d id os du­ ra n te la separación d e las partículas. N o obstante, c ie r to fa c to r reb a tía esta supo­ sición y, co n e l tiem p o , gen eró c ie rto interés p o r lo s m icrosom as. M e r e fie ro a la c o m p o sició n qu í­ m ica. L a s m itocon d rias con tienen p roteín as y ciertas sustancias grasas ricas en fó s fo r o llam adas fos jo líp id o s . E stas d os sustancias com p on en casi to d o e l m a te ria l d e las m itocon d rias. H a y en éstas m u y p o c o á cid o nucleico; s ó lo e l 0,5 p o r cien to de su sustancia es A R N . D ado que las m ito co n d ria s se d ed ica n a la p r o ­ ducción de reacciones gen erad oras d e en ergía p ara las qu e n o se precisa A R N , n o es de extrañ ar qu e éste escasee. N o obstante, e l citop la sm a es rico en A R N . ¿ b ó n d e está pues, si n o se encuentra en las m itocon d rias? 209

E l A R N resu ltó h a llarse en los m icrosom as que, según p u d o averigu arse, son rico s en ácid o nu cleico. E n v is ta de e llo , n o p a recía ló g ic o qu e fu era n sim p les fra gm en to s d e m ito c o n d ria , e le ­ m en to p o b re en esta sustancia. L o s m icrosom as tenían qu e ser partícu las independientes, con una fu n ción independiente. S i se tenía en cuenta su con ten id o en A R N , ¿n o serían el- escen ario de la síntesis de p r o teína? L o s exp erim en tos co n firm a ro n la hipótesis. Unas célu las a las qu e se su m in istró am in oácidos rad iactivos in c o rp o ra ro n éstos en las cadenas p o ­ lipéptidas, de m anera qu e la p rotefn a qu e se fo r ­ m ara después en e l in te rio r de la célu la tenía qu e resu ltar rad iactiva. S i la célu la p erm an ecía en con tacto con los am inoácidos rad iactivos durante p o c o tiem p o y en seguida se m ed ía su ra d ia c tiv i­ dad, s ó lo las p roteín as situadas en e l m ism o lu gar d e su fo rm a ció n tenían qu e haber p o d id o captarla. En efecto, cuando se h izo la exp lora ción , sólo se en con tró ra d ia ctivid a d en la p a rte m icrosom al. A sí pues, era e vid e n te qu e las fá b ric a s de p r o ­ teína de la célu la eran los m icrosom as. E l m icro s c o p io electró n ico em p ezó entonces a e n fo c a r los m icrosom as. E n 1953, e l b io q u ím ic o n ortea m erica n o de orig en rum ano G eo rge E . Palade en con tró unas partículas m inúsculas d istri­ buidas p rofu sam en te en la red de m em branas aso­ ciada co n la p a rte m icrosom al. E n 1956, Palade había aislad o las p artícu las (c a d a una, 1 / 1 0 .0 0 0 . 0 0 0 d el tam añ o d e una m ito co n d ria y acaso no m u­ cho m a y o r qu e un g e n ) y d escu b rió qu e contenían casi to d o el A R N de la p a rte m icroso m a l. E n rea­ lid ad , casi e l 90 p o r cie n to d el A R N de algunas cé­ •

210

lulas se encuentra en estas numerosas partículas compuestas de A R N y proteína al 50 p o r ciento. Se les dio el nombre de ribosomas, y hacia 1960 suscitaban un vivo interés, hasta el extremo de desbancar a las mitocondrias.

EL A R N EN EL LUGAR DE L A SINTESIS Hacia finales de la década de los 50 los bio­ químicos estaban entusiasmados con la idea de haber hallado, en los ribosomas, la clave del im­ portante problema de la síntesis de las proteínas? Se creía que cada gen producía A R N por reproduc­ ción según el m odelo Watson-Crick y que este ARN, después de introducirse en el citoplasma, se congregaba para form ar los ribosomas. Ello significaba que cada una de las distintas enzimas de la célula tenía que estar producida por um ribosom a determinado, form ado por un gen específico. N o se creía que cada ribosoma con­ trolara una enzima diferente; había demasiados ribosomas para eso. Se suponía que un número de ribosomas producía una enzima; otro grupo de ribosomas, otra enzima, y así sucesivamente. La circunstancia de que una célula pueda pro­ ducir enzimas a velocidades diferentes, según las condiciones hacía más plausible la suposición. ¿Quería esto decir que, normalmente, una célula utiliza sólo una parte de los ribosomas que tiene adjudicados, para producir una enzima determi­ nada y que dispone de una reserva para casos de emergencia? P o r desgracia, se presentaron dificultades. A 211

veces, una enzima se form aba a tan gran veloci­ dad que era p reciso suponer qu e entraban en ac­ ción un gran núm ero d e ribosom as; tantos, que parecía disparatado que sem ejante contingente de los ribosom as de una célula fueran asignados a una sola célula. Pero, ¿cuál p od ía ser la alternativa? Suponga­ m os que, en realidad, sólo unos cuantos rib oso­ mas intervenían en la producción de la enzim a. En tal caso, la rapidez con que se form aba ésta tenía que inducirnos, a suponer que cada ribosom a p o­ día m ultiplicar su capacidad, alcanzando una p ro­ ductividad realm ente increíble. Ninguna de las dos alternativas podía prospe­ rar. L a infestación de una célula p o r virus planteó o tro problem a. Una célula infestada sigue produ­ ciendo proteína a la m ism a velocidad que una cé­ lula norm al, pero la proteína sufre una alteración. L a penetración del virus pone fin a la form ación de la proteína de la célula e inicia la fabricación de proteína vírica. Según la teoría de los rib oso­ mas, ello sign ificaría que cuando un virus entra en una célula sustituye los ribosom as de ésta p o r los suyos. P ero, si consideram os lo pequeño que es un virus, vem os que ello resulta im posible. Un virus sólo puede contener unos cuantos riboso­ mas; ¿cóm o iban éstos a suplantar a los m iles y m iles que existen en la célula? Finalm ente, se suscitó la cuestión d el A R N rib osom a l (la s moléculas de A R N que com ponen los ribosom as). La peculiar com posición de éste contribuyó a restar fuerza a la idea. Y es que las m oléculas de A D N varían consi­ 212

derablem ente de una especie a otra. H a y especies qu e tienen m oléculas de A D N ricas en adenina p ero pobres en guanina, en una p rop orción de hasta 3 a 1; otras, tienen moléculas de A D N pobres en adenina y ricas en guanina en prop orción de 1 a 3. S i e l A R N ribosom al está form a d o p o r e l A R N de los crom osom as forzosam ente habrá de refle ­ ja r estas diferencias en los índices de su com po­ sición básica — es decir, si el m odelo de reproduc­ ción de W atson-Crick es correcto— . P ero e l A R N ribosom al n o refleja esta variación de la p ropor­ ción entre una especie y otra. En el A R N riboso-* m al los cuatro nucleótidos están distribuidos de fo rm a bastante regular y así se a d v irtió en todas las especies de organism os estudiados. ¿E ra falso el m od elo W atson-Crick? ¿Sería c o ­ rrecta al fin y al cabo la teoría de la estructura tetranucleótida? Los bioquím icos se resistían a ad­ m itirlo. Siguieron buscando la solución y, hasta 1960, la encontraron. A l parecer, durante tres o cuatro años habían seguido un cam ino equ ivo­ cado. Los ribosom as son el terreno en el que se fa b ri­ ca la proteína, sí; p ero el elem ento que realiza esta fabricación no es e l A R N ribosom al. Éste no p orta el código genético sino que es, simplemente, el soporte medular de los ribosom as, algo así com o un «fo rm u la rio en b lan co» en el qu e puede sus­ crib irse cualquier dato. Entonces tiene que haber otra varied ad ' de A R N , una variedad form ada p o r la reproducción según e l m odelo Watson-Crick y que sea porta­ d ora del código genético, una variedad que se des­ 213

p la ce d e l gen a l rib o s o m a lle v a n d o e l «m e n s a je » d e l p rim ero . E s ta segunda va ried a d d e A R N se llam a, m uy ap rop iad am en te, A R N m en sa jero. (T a m b ié n se lla ­ m a A R N p la n tilla , y a q u e la «p la n tilla » es e l m o ­ d elo o p a tró n qu e se u tiliza p a ra la p ro d u cció n de una d eterm in a d a fo r m a .)

CO N FECC IÓ N D E L A C L A V E E n 1960 se h abían reu n ido ya pru ebas conclu­ yen tes de la existen cia d el A R N m en sajero. E n el In s titu to P asteu r de P arís se aislaron m uestras d e A R N que presentaban una d istrib u ció n de purinas y p irim id in as s im ila r a la d e l A D N . E s ta d istrib u ció n a lo A D N se o b s e rv ó cuando se con sigu ió en lazar a l A R N con fila m en tos de A D N de las bacterias u tilizad as c o m o fuentes d el A R N p e ro n o co n fila m en tos de A D N de bacterias de otras especies. L a u n ión p o r enlaces d e h id ró ­ gen o e n tre un fila m e n to d e A D N y un fila m en to de A R N (un «á c id o n u cleico h íb r id o ») s ó lo es p o ­ sib le si am b os fila m en tos son com p lem en tarios. Es d e su pon er qu e el fila m e n to de A R N estu diado era com p lem en ta rio de un fila m e n to de A D N de una b acteria de su p ro p ia esp ecie p o r esta r fo rm a ­ d o p o r rep rod u cción de aqu el m ism o fila m en to de AD N. L a fo rm a c ió n de A R N m en sa jero a p a r tir de A D N tien e qu e hacerse a gran v elocid a d , ya qu e si la célula es tocada p o r átom os rad iactivos, éstos in m ediatam en te aparecen en e l A R N m en sajero. P o c o después, lo s átom os rad iactivos aparecen di­ 214

seminados p o r la célula. D e ello se deduce qu e el A R N m ensajero, una ve z form ado, se descompone rápidam ente en nucleótidos unitarios qu e asumen distintas funciones en la célula. E l A R N m ensajero fu e descubierto en las bac­ terias. Y es que un gran núm ero de los descubri­ m ientos contem poráneos de la «B io lo g ía M olecu­ la r » com o se llam a esta ram a, se deben a experi­ m entos realizados en m icroorganism os. De todos m odos, los científicos opinan que, probablem en­ te, tales hallazgos tam bién pueden aplicarse a otras criaturas. P o r ejem p lo, en 1962 se aisló por prim era vez A R N m ensajero de células de m am ífe­ ro. A lfre d E. M irsky y Vincent G. A llfrey , d el Ins­ tituto R ockefeller, lo obtuvieron de la glándula tim o de la ternera y en cantidades m ucho mayores que las que proporcionan las bacterias. H e aquí la situación actual: 1. E l A D N de un gen determ inado fabrica una m olécula de A R N m ensajero m ediante reproduc­ ción Watson-Crick. E l A R N mensajero, posee un com plem ento del orden de los nucleótidos del AD N (salvo que hay uracilo en todos los lugares en los que en e l A D N hay tim ina). E l A R N m ensajero, com puesto quizá p o r hasta 1.500 nucleótidos, por­ ta así e l cód igo genético del gen que lo ha creado. 2. L a m olécula de A D N m ensajero penetra en el citoplasm a y se engancha a un ribosom a li­ bre. E l «fo rm u la rio en b la n co » del A R N ribosom al, rellenado ahora con e l m ensaje del A R N men­ sajero, ya está preparado para produ cir una proteína específica. (A m í m e parece que, al engan­ charse, e l A R N m ensajero tiene que d e ja r a sus purinas y pirim idinas en libertad de fo rm a r enla215

ccs de hidrógeno durante el procesó de fabrica­ ción de la protem a, proceso que se describe en el capítulo siguiente. Y o creo, p o r lo tanto, que el A R N mensajero puede unirse al A R N ribosom al p o r su parte posterior; es decir, form ando enlaces de hidrógeno con el grupo hidroxilo de las unida­ des de ribosa situadas en la cadena de A R N ribo somal. Quizá p o r ello e l A R N tiene ribosa en lugar de desoxirribosa. La desoxirribosa y, por lo tanto, el AD N carecen de ese hidroxilo lib re a que nos referíam os en el capítulo V I I y quizás el A R N fue «in ven tad o» sólo en función de este hidroxilo ex­ tra. Sólo así, es de suponer, puede actuar de men­ sajero.) 3. Después de haberse form ado unas cuantas moléculas de proteína (o quizás, incluso, después de haberse form ado una sola m olécula), el A R N mensajero se descompone dejando al ribosom a una vez más en blanco, preparado para configu­ rar la clave de otra proteína que puede ser igual a la anterior o diferente. T od o el proceso dura de dos a tres minutos a lo sumo, lo cual resulta sorprendente si se consi­ dera que, durante el mismo, hay que colocar con precisión a ciéntos de nucleótidos para form a r el A R N mensajero y, después, a muchos cientos de aminoácidos, para, form ar la proteína. P o r otra parte, tal vez les resulte asombrosa la idea de que hagan falta varios minutos para form a r una sola m olécula de proteína cuando a cada m om ento se necesitan tantas. P ero pueden consolarse pensan­ do que existen millones de ribosomas en cada célula y que, entre todos, producen m illones de moléculas de proteína en esos minutos. 216

i E l factor del A R N mensajero elimina las di­ ficultades que acosaban a los bioquímicos cuan­ do estudiaban los ribosomas aisladamente. En prim er lugar, ya no es necesario creer que cada célula tenga ribosomas especiales para cada molécula de proteína diferente que tenga que sin­ tetizar. Como hemos visto, los ribosomas pueden considerarse como simples formularios en blan­ co en los que cualquier molécula de ADN puede inscribir momentáneamente su fórmula. Por lo tanto, aquí no importa la estructura purina/pirimidina del A R N ribosomal. P of otra parte, esto significa que la velocidad de la síntesis de las enzimas puede variar en cada casp, según la velocidad a que se form en las dife­ rentes moléculas de AR N mensajero, éstas se apropiarán del número correspondiente de «fo r ­ mularios» de ribosomas y fabricarán enzimas a gran velocidad. Cuando la necesidad haya pasa­ do, el AR N mensajero se disolverá rápidamente, dejando los formularios *otra vez en blanco, pre­ parados para otra operación. . Estos hallazgos han contribuido también a aclarar un poco el misterio de la infección por v i­ rus y la síntesis de las proteínas. E l virus no tiene que producir sus propios ribosomas, sino que se sirve de los ribosomas de las bacterias. (Los expe­ rimentos realizados en 1960 con átomos radiacti­ vos demostraron claramente que después de una infección vírica no se formaban nuevos riboso­ mas.) L o que hace el virus es, de algún modo, suspender la formación de A R N mensajero por el AD N bacteriano. E l A R N mensajero ya formado por las bacterias se descompone con su habitual 217

rapidez, liberando así a los ribosom as qu e pue­ den ser ocupados p o r e l A R N m ensajero fabrica­ d o p o r el virus. L a síntesis de proteína se efectúa a la misma velocidad antes y después de la infección, dado que todos los ribosom as están en activo; sólo que ahora están ocupados p o r A R N m ensajero v í­ rico en lugar de A R N m ensajero bacteriano. Desde luego, todo ello d eja aún muchos p ro ­ blemas que han de m antener ocupados a los b io ­ químicos. ¿C óm o «s a b e » una determ inada molécu­ la de A D N cuándo debe produ cir una gran canti­ dad de A R N m ensajero y cuándo ha de fabricar sólo un poco? A l parecer, el A D N debe rec ib ir in­ form ación sobre e l estado de su célula en todo momento. S i una célula está escasa de un com ponente que necesita, las moléculas de A D N que rigen las enzimas precisas para la form ación de ese ingre­ diente son estimuladas de algún m odo para p ro ­ ducir m ayor cantidad de su A R N m ensajero. En consecuencia, se producen más enzimas y m ayor cantidad del ingrediente necesario. Si, p o r e l con­ trario, una célula tiene excedente de alguno de los com ponentes, la actividad de las m oléculas de A D N correspondiente se detiene. Éste es un sorprendente ejem p lo de feedback, es decir, reenvío de los efectos de un proceso a una fase precedente para ser m odificados o refor­ zados. Evidentem ente, la célula es un extenso y com plicado sistema que com porta m ultitud de variantes del feedback. N o será tarea fá c il diluci­ dar los detalles de la acción recíproca entre ADN, A R N , enzim as y productos de la catalización por 218

enzimas. De todos modos, los bioquím icos atacan el problem a con un afán que y o calificaría de v o ­ raz, y existe la esperanza de que, p oco a poco, las dificultades vayan cediendo ante la acometida.

Capítulo X I DESCIFRANDO EL CÓDIGO

LO S TR IO S Hasta aquí he eludido form u lar la pregunta clave en este asunto de la síntesis de proteínas, a saber: ¿Cóm o se pasa del ácido nucleico a la proteína? En realidad a estas alturas, la pregunta puede reducirse a estos térm inos: ¿Cóm o se pasa de un determ inado A R N m ensajero a una determ i­ nada cadena polipéptida? A prim era vista, el form idable obstáculo a que antes nos referíam os parece oscurecer también la solución de este problem a. La m olécula de áci­ d o nucleico es una «fr a s e » compuesta p o r cuatro «p ala b ras» diferentes, los nucleótidos. La m olé­ cula de proteína es otra «fr a s e » compuesta por veintidós «palabras», los aminoácidos. ¿Cómo es posible que la inform ación suministrada por cua­ tro elementos baste para explicar lo que han de hacer veintidós? E n realidad, esta dificultad que en un princi­ p io preocupó a muchos, no es tal dificultad. El que nos la planteem os siquiera se debe a que estamos acostumbrados a los códigos en los que cada letra representa a otra letra com o en los 223

criptogramas que publican algunos periódicos. P o r ejem plo, en un criptograma que representara una palabra con las letras inmediatamente siguien­ tes a las suyas, la palabra PR 0TE 1N A se escribi­ ría QSPUFJOB. Y , no obstante, los códigos más usuales no se rigen por este principio. Por ejem plo, el idioma inglés consta de 26 letras, que son suficientes para form ar las más de 450.000 palabras que figuran en el Tercer Nuevo Diccionario Internacional W ebster (íntegro). Los diez símbolos utilizados para construir los números (nueve dígitos y el cero) bastan para form ar una infinidad de com­ binaciones. Es más, bastarían dos símbolos, 1 y 0, para el mismo fin y así ocurre en las computado­ ras. Para que ello sea posible, basta únicamente convenir en utilizar los símbolos, ya sean éstos las letras del alfabeto o las cifras, en grupos. Sólo hay 26 letras, sí, pero existen 26 X 26 ó 676 combinaciones de dos letras, 26 x 26 X 26 ó 17.576 combinaciones de tres letras y así sucesi­ vamente. Del mismo modo, sólo podemos form ar nueve números de una cifra; pero de dos hay ya 90, de tres, 900, etc. P or lo tanto, al pasar de los nucleótidos a los aminoácidos, debemos descartar la noción de que la relación se establezca entre unidades y tomar los nucleótidos en grupos. En el A R N mensajero (o en el ADN del gen) hay sólo 4 nucleótidos dife­ rentes; pero existen 4 x 4 = 16 combinaciones dinucleótidas («p a r e ja s ») y 4 x 4 x 4 = 64 combi­ naciones trinucleótidas («tr ío s »). Todas ellas se indican en la figura 51, en la que los cuatro nu224

cleótidos se representan por su in icia l: ácido uridílico, U; ácido citidílico, C; ácido adenüico, A y ácido guanÜico, G. E llo plantea inmediatamente un nuevo problama. H ay pocos dinucleótidos para los 22 amino­ ácidos y sobran trinucleótidos. N o podemos ope­ rar con déficit, de manera que no hay más rem edio que pasar, p o r lo menos, a los tríos. Ahora bien, no parece lógico que podamos uti­ lizar unos cuantos dinucleótidos y unos cuantos trinucleótidos, los suficientes para llegar a veinA

G

C

U

4 n u c le ó tid o s

AA

AC

GA

GC

CA

CC

UA

UC

AG

AU

GG

GU

CG

CU

UG

UU

1 6 d in u c le ó tid o s (g e m e lo s)

AAA

ACA

GAA

GCA

CAA

CCA

UAA

UCA

AAG

ACG

GAG

GCG

CAG

CCG

UAG

UCG

AAC

ACC

GAC

GCC

CAC

CCC

UAC

UCC

AAU

ACU

GAU

GCU

CAU

CCU

UAU

UCU

AGA

AUA

GGA

GUA

CGA

CUA

UGA

UUA

AGG

AUG

GGG

GUG

CGG

CUG

UGG

UUG

AGC

AUC

GGC

GUC

CGC

CUC

UGC

UUC

AGU

AUU

GGU

GUU

CGU

CUU

UGU

UUU

64 trin u c le ó tid o s («tripletos») Figura 51.

Com binaciones de ngcleótldos

225

tidós (o a l número de am inoácidos que nos propon­ gam os). L a dificultad es que nadie ha p odid o ha­ llar la form a para hacer que la proteína «d ig a » que una com binación, por ejem plo, AC, correspon­ de a «p a r e ja » y cuando fo rm a parte de un trío digamos ACG. Si vamos más allá de la fase d el trío y pasa­ mos al cuarteto, la situación empeora, ya que exis­ ten 4 x 4 x 4 x 4 = 256 combinaciones diferen­ tes de cuatro nucleótidos. P o r lo tanto, será m e­ j o r seguir, si se puede con los tríos. De todos modos, se ha procurado reducir el número de posibles tríos, para evitar el despilfa­ rro que supondría asignar 64 tríos a 22 am ino­ ácidos. Supongamos, por ejem plo, que la cadena nucleótida pudiera leerse com o una serie de tríos superpuestos, com o indica la figu ra 52. Estos tríos superpuestos (qu e generalmente siguen un patrón más com plicado) podrían ser designados de m a­ nera que el número de trinucleótidos posibles quedara reducido a una veintena. G C U C A G A U U C G G U U U A C A G G C G A

\

t

'

’

\

’

' r

^ F

^

’

G C U U C A A G A A UU UCG G G U UUU U A C C A G GG C C GA F ig u ra 52.

C ó d ig o su p e rp u e st o

Sin embargo, en el código de elementos super­ puestos de la figu ra 52 se aprecia que uno de cada 226

dos n u cleótid os fo rm a p a rte d e d os trío s . E l p r i­ m er U, p o r e je m p lo , es e l ú ltim o e le m en to de GCU, p e ro es tam bién e l p rim e ro de U C A. Luego, h ay una adenina qu e es el ú ltim o ele m e n to de U C A y e l p rim e ro de AGA. E llo supone una g ra v e lim itación . En un có­ d ig o de elem en tos superpuestos co m o e l de la figu ra 52 e l tr ío G CU tien e qu e i r segu id o d e un tr ío qu e em piece p o r U, c o m o UCA. N o puede ir segu ido d e A G A , p o r e je m p lo . A h ora b ien , si GCU corresp on d e a l am in oácid o 1 y A G A a l am in oáci­ d o 2, e llo sign ifica que, si el c ó d ig o de elem en tos superpuestos es correcto, e l a m in o á cid o 2 nunca puede segu ir al am in oácid o 1. Esta lim ita c ió n afecta a to d o c ó d ig o de super­ posición . E ste tip o de c ó d ig o , cu alqu iera qu e sea su d isposición , fo rzo sa m en te h a de lim ita r las com binacion es de los am in oácidos; en é l siem pre habrán secuencias «p ro h ib id a s ». G C U C A G A U U C G G U U U A C A G G C G A U

GCU

CAG

AUU

F ig u r a 53.

CGG

UUU

ACA

GGC

GAU

C ó d ig o n o su p e rp u e sto

Sin em bargo, lo qu e ya sabem os acerca de las secuencias de los am inoácidos en las proteín as (véase p. 107-108) nos indica qu e n o h ay en ellas com binacion es p roh ib id as. E s p osib le cu alqu ier com b in ación de d os am in oácidos, de tres, etc. P o r con siguiente, los elem en tos d el c ó d ig o no 227

xeoen superponerse, es d ecir, tien en que presen­ tarse en estricta yu xtaposición, c o m o se in d ica en la fig u ra 53. A q u í los tríos pueden presentarse en cu alqu ier secuencia, al igual qu e lo s am inoácidos. C o m o suele o cu rrir, p o r m u y con vin cen te que sea un razon am ien to teórico, siem pre e s p re fe ri­ b le resp ald arlo co n la práctica. E n 1961, e l p ro p io C rick y sus colab orad ores ap ortaron las pruebas necesarias. U tiliza ro n una m olécu la de á cid o nu­ c le ico c o d ific a d a p ara p ro v o c a r la síntesis de una p roteín a determ inada y lu ego le agregaron un nucleótid o. T a l p ro teín a n o pudo seguir sintetizán­ dose. L e añadieron un segundo n u cleótid o. Nada. S e le añ adió un te rce r nu cleótido y, finalm ente, se restableció la función de la m olécula. E s to pue­ d e in terp retarse c o m o se indica en la figu ra 54, qu e ap oya firm em en te la te o ría de los tríos yuxta­ puestos. C U G :C U G :C U G :C U G :C U G :C U G :C U G :C U G :C U G :C U G :

C A U K 2C U :G C U :G C U :G C U K 2C U K IC U :G C U :G C U :G C t>: aAadir A

• * * ,onclB 1,01 tripleta original

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C A U :A G C :U G C :U G C :U G C :U G C :U G C :U G C :U G C :U G C :

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d el trip leta original

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Figura 54.

Reoooetrucddn dal tripleta

D e todos m odos, ello nos d e ja tod avía con 64 tríos p ara 22 am inoácidos. N o s quedan dos sali228

das. Quizá 32 trío s sean «form u larios en blan co» y, p o r lo tanto, puedan ser pasados p o r alto en la cod ificación general. O quizá dos o incluso tres trios diferentes correspondan a un m ism o am ino­ ácido. Com o verem os a continuación, los experi­ m entos realizados apoyan inequívocam ente la se­ gunda alternativa. De un cód igo en el que dos o más com bina­ ciones de sím bolos corresponden a una mism a cosa se dice que es «d egen erad o». P o r lo tanto, el código genético pertenece a esta clase. E n resumen: 1. E l cód igo genético consiste en com binacio­ nes trinucleótidas o tríos que discurren a todo lo largo de la cadena polinucleótida cada u n o de los cuales representa un am inoácido específico. 2. E l cód igo genético n o tiene elem entos su­ perpuestos. 3. E l cód igo genético es degenerado. Además, los bioquím icos tienen la casi certeza de q u e : 4. E l cód igo genético es universal; es decir, el m ism o código rige para todos los organism os des­ de e l p in o sequoia más a lto hasta e l más pequeño de los virus. L a más clara prueba de este ú ltim o extrem o es que existen numerosos virus qu e pueden infes­ tar imas células determinadas, utilizando cada uno su p rop io A R N m ensajero p ara produ cir p ro­ teínas partiendo de los ribosom as, enzimas y de­ más equ ipo qu ím ico de las células. A l parecer, la célula «en tien d e» e l lenguaje de los distintos virus. Y en las pruebas realizadas en e l laboratorio, aun m ezclando el A R N m ensajero de una especie con 229

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e l e q u ip o celu lar d e otra , se h a «e n te n d id o » su len gu aje y se han fo rm a d o proteínas.

U T IL IZ A C IÓ N D E L A R N M E N S A J E R O A h ora podem os im agin ar al A R N m en sajero cu brien do un ribosom a y d irigien d o la síntesis de una cadena p olip ép tid a determ inada a través de una secuencia de tríos. P ero, ¿cóm o se hace esq? E stá m uy bien d e cir que un tr ío determ ina­ d o «c o rre s p o n d e » a ta l am in oácido; pero, ¿qu é in­ duce a los am inoácidos a alinearse p o r e l orden de los tríos? A fin ales d e la década d e los 50. em p ezó a per­ fila rs e la respuesta, gracias, p rin cipalm en te, al tra b a jo del b ioq u ím ico n orteam erican o M ahlon B. H oagland. En 1955, H oaglan d descu brió que, antes de incorporarse a la cadena p olip ép tid a, los am inoácidos se agregan a un ácido ad en ílico. Esta com bin ación es especialm ente rica en en ergía y su resultado puede considerarse c o m o un «a m in o ­ á cid o a ctiva d o ». H oaglan d descu brió después la presencia en las células de fragm en tos de A R N relativam en te pe­ queños, tan pequeños qu e p od ían disolverse lib re­ m ente en e l flu id o de la célula. En consecuencia, los llam ó A R N solu ble, aunque, p o r razones que exp licaré en b rev e son m ás con ocid os p o r e l n om ­ b re de A R N de transferencia. R esulta que existen num erosas varied ad es de A R N dé tran sferen cia y que cada una de ellas se ad h iere a la p a rte de ácid o aden ílico de algún am i­ n oácid o activado. L o que es m ás, cada una se ad­ 230

hiere a un aminoácido activado determ inado y no a otro. L o que después ocurre parece evidente. Supongamos que una variedad determinada de A R N de transferencia se adhiere a la histidina ac­ tivada y sólo a ella. E l A R N de transferencia trans­ fiere (de ahí su nom bre) la histidina activada al A R N mensajero, pero no a un punto cualquiera de éste sino sólo a un punto determinado. Al parecer, el A R N transferente tiene un pun­ to de enganche que consiste en un trío determi­ nado, trío que sólo se enganchará en el punto del A R N mensajero en la que se encuentre el trío com­ plementario. En otras palabras, si el A R N de transferencia de la histidina tiene un punto de en­ ganche AUG sólo se unirá a un trío UAC del A R N mensajero. De este modo, el trío UAC del AR N mensajero queda unido a una histidina — y sólo a una histidina— a través d el A R N transferente. Dondequiera que en el A R N mensajero exista UAC habrá una histidina y así es cóm o puede decirse que en el código genético la histidina «correspon­ d e» al UAC. E llo fu e confirm ado p o r un experimento reali­ zado en 1962. Se utilizó una molécula de A R N de transferencia que normalmente se adhiere al ami­ noácido cisteína. La técnica empleada consistió en cam biar la cisteína p o r el aminoácido sim ilar alanina, después de que se com binara con el A R N de transferencia. A pesar de ello, e l A R N de transfe­ rencia con la alanina adherida la llevó al punto en e l que generalmente se encuentra la cisteína. Esto demostró que la unión entre e l A R N de trans­ ferencia y el A R N mensajero no dependía del ami­ noácido, que había sido sustituido, sino sólo de 231

las pininas y pirimidinas de las dos variedades de ácidos nucleico, que no se habían cambiado. Cuando todos los A R N de transferencia están colocados en la cadena polinucleótida del AR N mensajero, los aminoácidos cuelgan hacia abajo, muy próxim os y situados por un orden dictado por la secuencia de los tríos del A R N mensajero (o b ­ tenido, a su vez, del A D N y el gen). Una vez los aminoácidos están situados cerca y ordenados, los distintos procesos enzimáticos pueden provocar sin dificultad una reacción que los com bine fo r­ mando una cadena polinucleótida determinada. En 1961, H ow ard M . Dintzis, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, trabajando con ami­ noácidos marcados con átomos radiactivos, desa­ rrolló unos experimentos en los que consiguió detectar la aparición de radiactividad en proteínas y dem ostró que los A R N de transferencia engan­ chaban sus aminoácidos a la cadena del A R N men­ sajero desde un extrem o al otro; p o r orden, como un h ilo de cuentas. Esto excluía toda posibilidad de confusión. Su­ pongamos que tenemos la secuencia AUUUCGCUAG. Los distintos tríos a que puede dar lugar (si pudiéramos em pezar p o r cualquier pu n to) se­ rían : AUU, UUC, UCG, CGC, GCU, CUA y UAG. ¿Cuál de estos siete tríos utilizarían los A R N de transferencia si pudieran agarrarse a cualquier punto? S i un A R N de transferencia apunta a UUC y otro, a UCG, en el caso de que ambos tríos estén en parte superpuestos, el resultado será la anar­ quía. P o r el contrario, un A R N de transferencia se une a AUU. A continuación, o tro se une a CGC. 232

Después, b » tercero sc unc a U AG y los cuatro trío s posibles restantes, sim plem ente n o se usan. D intzis d em ostró tam bién qu e todos los am ino­ ácidos de una m olécu la d e h em oglob in a pueden situarse y unirse en tre sí en cuestión de 90 se­ gundos. E l proceso com p leto se ha rep rod u cid o en e l lab orato rio u tilizando fragm en tos d e células en lu gar de células intactas. E n 1961, e n e l Centro M édico de la U niversidad de N u eva Y o r k , Jerard H u rw itz construyó un sistem a que con tenía A D N , nucleótidos y las enzim as correspondientes y con­ siguió fa b rica r A R N m ensajero en probeta. Aquel m ism o año, G. D avid N o v e lli, de los La­ b oratorios N acionales de Oak R id ge, em pleó no sólo A D N y nu cleótidos sino tam bién ribosom as y am inoácidos. C on ello , adem ás de fa b ric a r A R N m ensajero, consiguió que éste recu b riera los ribosomas y actuara de m od elo p ara la fo rm a ció n de una enzim a especial llam ada betagalactosidasa. \

D IC C IO N A R IO DE LO S T R ÍO S Aún queda p o r reso lver la cuestión de la clave del c ó d ig o propiam en te d ich a : ¿Qué tr ío corres­ p on de a cada am inoácido? E l p rim er gran paso en esta d irección se d io en 1961, fru to d el qu e fu e sin duda e l lo g ro más im portan te rea lizad o desde qu e och o años antes, se propusiera e l m od elo W atson-Crick. E ste avan­ c e fu e resultado de un experim ento efectu ado p o r M arshall W . N iren b erg y J. H ein rich M atthaei en los Institu tos N acionales de la Salud. 233

Ambos comprendían que, para descubrir la clave, era necesario empezar por plantearse la si­ tuación más simple: la de un ácido nucleico com­ puesto por una cadena de una sola variedad de nucleótido. Ochoa había demostrado ya cóm o po­ día fabricarse esta cadena, con ayuda de la enzi­ ma adecuada, a fin de producir y utilizar con faci­ lidad ácido poliuridílico, por ejemplo. Por consiguiente, Nirenberg y Matthaei agre­ garon ácido poliuridílico a un sistema que conte­ nía los diferentes aminoácidos, enzimas, riboso­ mas y demás componentes necesarios para la sín­ tesis de las proteínas. De esta mezcla salió una proteína tan simple como el A R N que tenían al principio. Si el ácido nucleico era todo ácido uridílico, la proteína era todo fenilalanina. Esto era importante. E l ácido uridílico podía representarse así: UUUUUUUUUU... Naturalmen­ te, el único trío que puede existir en esta cadena es UUU. E l único aminoácido empleado en la fa­ bricación de la cadena polipéptida fue la fenilala­ nina, aunque en el sistema estaban presentes y disponibles todos los distintos aminoácidos. La conclusión que puede sacarse de ello es la de que el trío UUU es equivalente al aminoácido fenilalanina. Se había dado el prim er paso hacia el descifra­ miento del código genético. La primera entrada del «diccionario de los tríos» fue: «U U U = fenilala­ nina». Inmediatamente empezó a prepararse el paso siguiente. Siguiendo la pauta marcada, entraron en actividad varios grupos de investigación. Su­ pongamos que un polinucleótido es fabricado en 234

zimáticamente a partir de una solución de ácido uridílico a la que se ha agregado una pequeña can­ tidad de ácido adenílico. La cadena consistirá casi enteramente de U, con alguna que otra A interca­ lada, por ejem plo: UUUUUUUUUAUUUUUUUUUAUUUUUUAUUU... T a l cadena estaría form ada p o r los tríos si­ guientes : UUU, UÜU, UUU, AUU, UUU, UUU, UAU, UTJU, UUA, UUU... Los tríos siguen siendo princi­ palmente UUU, pero de vez en cuando aparece un AUU, UAU o UUA (qu e son los únicos que pueden form arse con dos U y una A ). Por supuesto, la proteína form ada p o r este ácido poliuridílico «im p u ro » resultó ser en su ma­ y o r parte fenilalanina, aunque con ocasionales «in ­ trusiones» de otros aminoácidos. Se han detecta­ d o tres de estos «in tru sos»: leucina, isoleucina y tirosina. A l parecer, uno de los tres tríos AUU, UAU y UUA corresponde a la leucina, el otro a la isoleucina y el o tro a la tirosina. Aunque, hasta estos momentos, aún no ha podido averiguarse el orden de relación exacto. T od o lo más que podemos hacer es poner UUA entre paréntesis (U U A ) para indicar los tres tríos diferentes que pueden form arse con dos U y una A, sin intentar especificar el orden. Así, nuestro diccionario d ir ía : «(U U A ) = leucina, isoleucina o tirosina». S i a la solución prim itiva de ácido uridílico, se agrega un p oco de ácido citid ílico o guanílico en lugar de ácido adenílico, se form an polinucleótidos que contiene tríos que son (U U C ) y (UUG). Tam bién aquí los paréntesis indican que no se especifica.el orden exacto de los tres nucleótidos. 235

£ h estos d os ú ltim os casos, aún puede d etec­ tarse leucina en la proteína produ cida que sigue siendo en su m ayor parte fenilalanina. E sto sólo puede sign ificar qu e (U U A), (U U G ) y (U U C ) pue­ den todos traducirse p o r leucina, ejem p lo de lo qu e llam am os «d egen era ció n » d el código. • S i a la solución de ácido u rid ílico, ya «im p u ­ r a », se agrega o tra pequeña cantidad d e ácido adenílico, para que e l polin u cleótido fin a l con­ tenga unas cuantas aes más en tre la profu sión de úes, seguirá siendo poco p rob ab le que dos aes estén juntas. S i, p o r casualidad, ocurre así, e l polinucleóti­ d o puede contener tríos tales c o m o : AAU , A U A ó UAA. Estas son las únicas tres posibilidades que p erm iten dos aes y una U y podem os sim bolizarlas c o n (U A A ). A m edida que aumenta la cantidad d e ácido adenílico, aumenta tam bién e l núm ero de tríos (U U A ), desde luego, p e ro los trío s (U A A ) aumen­ tarán a m a yo r velocidad. A l p rin cipio, los tríos (U U A ) só lo se darán en la cantidad suficiente para p e rm itir qu e sus am inoácidos sean detectados. P ero, a m edida que aumenten los trío s (U A A ) em pezarán a aparecer nuevos am inoácidos, los cuales deberán atribuirse específicam ente a uno u o tro de los tres tríos de (U A A ). S e p rod u ce una situación sim ila r si se agrega una cantidad cada v e z m a yo r de ácid o citid ílico o ácid o guanúico. Entonces -podrán encontrarse am inoácidos c o ­ rrespondientes a los tríos (U G G ) y (UCC). ¿Q ué ocu rriría si se agregaran simultáneam en­ te y en cantidad progresivam ente m a yo r ácid o ad e­ n ílico y ácid o guanÜico?

En un principio, sólo (U U A ) y (U U G ) están pre­ sentes en cantidad suficiente para que puedan detectarse sus aminoácidos. Pero luego empieza a aumentar la frecuencia de los distintos tríos re-

uuu

Fenilalanina

(U U G )

C iste ín a V alina Leuclna

(U U A )

Iso le u c in a Leuclna T iro sin a

(U U C )

Leu clna S e rin a

(U A A )

A s p a r a g in a

U sin a

(U G G )

G licina Trtptófano

(U C C )

Treom na Prolina

(U C G )

A la n ln a A rg in in a G lutam ina

(U A G )

A c id o aspártlco A c id o glutám ico M e tio n in a

(U A C )

A sp a ra g in a H istid in a Treonina

F ig u r a 5 5 .

E l d ic c io n a r io d e l tr ip le t o

presentados por (U AG ) — de los que no hay me­ nos de seis— y pueden aparecer y serles atribui­ dos nuevos aminoácidos. En el momento en que escribo, las relaciones 237

descubiertas entre tríos y aminoácidos son las re­ laciones que indico en la figura 55. Los tríos representados en la figura 55 son sólo 37 de los 64 posibles. Los restantes 27 son los que no contienen U; por ejem plo: AGG, CCA, AAA, etcétera. Los bioquím icos confían en que, a no tardar, a cada trío (con su orden y contenido definidos) podrá atribuirse su correspondiente aminoácido, el diccionario de los tríos estará com pleto y el có­ digo genético habrá sido descifrado. Por ejem plo, hacia finales de 1962 Ochoa había obtenido ya ciertas pruebas de que el trío de la tirosina es AUU, p o r este orden y el de la cisteína, GUU, por este orden.

C ap ítu lo X II E L FU TU R O

IN G E N IE R ÍA SU B C E LU LAR In ten ta r m ira r la b o la de crista l es acaso la más arriesgada d e las ocupaciones. D esgraciada­ m ente, es tam bién una de las más subyugantes. Cuando se tien e la op ortu n idad de p ro fetiza r, sólo los más fu ertes y equ ilibrad os pueden resistir la tentación. E n este aspecto, y o n o soy m u y fu erte, p o r lo que, cruzando los dedos, v o y a tra ta r de in ­ d a ga r en e l futuro. E n estos m om entos estam os en e l u m b ra l de lo qu e p ro m e te ser la era m ás fecu nda e n las cien­ cias de la vida. P roblem as q u e hace v e in te años parecían insolubles están resueltos; avances qu e s ó lo en sueños parecían fa ctib les son una reali­ dad. Y la investigación sigue adelan te co n un ím ­ p etu cada v e z m ayor. L o s b ioqu ím icos, u tiliza n d o fragm en tos d e cé­ lulas, han conseguido fa b ric a r determ inadas p r o ­ teínas. N a d a im p id e c re e r que o tro tan to pueda hacerse p a ra ob ten er cu alqu ier proteín a. E sta fa ­ cultad — una facu ltad qu e a h ora y a poseem os— es esencialm ente una declaración de independen­ cia de las fo rm a s d e la vida. 241

Tom em os la m olécula de insulina. É sta es una sustancia necesaria para e l con trol de la enferm e­ dad de la diabetes m ellitus. M illones de diabéti­ cos dependen de la insulina para poder desarrollar una vida normal. En la actualidad, se obtiene del páncreas del ganado. E l número de animales sacri­ ficados para alim entación es suficiente para abas­ tecer al mundo de toda la insulina que necesita. Ahora bien, supongamos que el aumento de la población obliga a las futuras generaciones a alimentarse en m ayor proporción con productos vegetales. E llo supondría una disminución de las disponibilidades de insulina. Pero, ¿y si obtuviéram os un sum inistro de cé­ lulas productoras de insulina de páncreas de buey, aisláramos e l A D N y los ribosomas correspon­ dientes y reuniéramos el resto del equipo necesa­ rio? Entonces podríam os m ontar una «fáb rica quí­ m ica » en la que p o r un lado entrasen los am ino­ ácidos y p o r e l otro saliera la insulina, sin nece­ sidad de disponer de animales vivos, n i siquiera de páncreas completos. P or supuesto, no podríam os prescindir ente­ ramente del buey. E l prim er suministro de A D N y ribosomas procederían de un páncreas vivo; pero, en lugar de contar sólo con la cantidad de insulina existente en las células en el m om ento del sacrificio, podríam os mantener el equ ipo subcelular funcionando indefinidam ente y la cantidad de insulina obtenida p o r páncreas aumentaría de m odo considerable. Las necesidades de buey se­ rían mucho menores. T al vez incluso fuera posible hacer que el ADN se reprodujera p o r sí mismo. Y tal v e z llegara el 242

d ía e n q u e s ó lo h u b iera q u e re c u rrir a l páncreas una v e z y e l sistem a, d e b id a m e n te a ten d id o , se p erp etu ara p o r sí m ism o. Y qu izás ese d ía haya em p ezad o a am anecer, pues en a g o s to de 1962, G eo rge W . C ochran, d e la U n iversid ad d el E sta d o d e U ta h an u nció qu e ha­ b ía con segu ido fa b r ic a r una m olécu la d e á cid o n u cleico d e lo s n u cleótid os, u tiliza n d o p a ra e llo fra gm en to s subcelulares, sin célu las intactas. E l á cid o n u cleico p ro d u c id o era un buen espécim en b io ló g ic o , pues e ra á cid o n u cleico d el v iru s del m osa ico d el ta b a co y C ochran p r o d u jo m oléculas infectadas. P e ro la insulina no tien e p o r qu é ser la única p ro te ín a qu e se p rod u zca así. E xisten m uchas reacciones qu ím icas de im p o rta n c ia in d u s tria l que son p rovocad as p o r m ed ios en zim áticos. G en eral­ m ente, e llo se h a ce ap rovech an d o la fa c u lta d de fe rm e n to y síntesis de b acterias, m oh o s y o tro s m icroorgan ism os. A h o ra b ien , cad a m icroo rga n is­ m o está ocu p a d o en m il reaccion es, las cuales sir­ ven a sus p ro p io s fin es, qu e le d istraen d e la reac­ c ió n con creta qu e a nosotros nos interesa. S i pu diéram os fo r m a r sistem as com p u estos de á cid o n u cleico y en zim as qu e rea liza ra n e l traba­ j o e s p e c ífic o n ecesario p a ra esa reacción , dispon­ dríam os de a lg o así c o m o un m icro o rg a n is m o sup eresp ecializad o sin necesidades p rop ias, un abn e­ gad o escla vo m o lecu la r q u e tra b a ja ría p a ra noso­ tro s in fatigab lem en te. E ntonces p o d ría crea rse una nueva ram a d e l con ocim ien to, la «in g e n ie r ía subc e lu la r», cu ya tarea sería la p rep a ra ción y co n tro l de tales sistemas. T a l v e z incluso ap ren d iéram os a c re a r nuevas 243

especialidades. L o s ácidos ioadéiGOsvde qu e dis­ ponem os pueden alterarse cuidadosam ente m e ­ diante calor, radiación o quím ica, y los ácidos nucleicos m od ificad os producirán proteínas m od i­ ficadas. Desde luego, la gran m ayoría de estas p ro ­ teínas resultarán inútiles; p ero es posible que, de ve z en cuando, se obten ga una proteína alterada ú til (u n a «n eop ro teín a *). L a neoproteína puede desem peñar su antigua función con m a yo r efica­ cia o dedicarse a una función totalm en te nueva. S i existen especialistas que se dedican con es­ m ero a la cría de plantas y animales en una bús­ queda constante de especies nuevas y m ejoradas, algún día puede haber especialistas en ingeniería subcelular cuyo o b je tiv o sea la búsqueda de nue­ vas variedades de neoproteínas. Y quizá, con e l tiem po, la producción d e neoproteínas ya n o dependa d el azar. S i estudiam os suficientem ente la estructura de las proteínas, tal vez incluso podam os deducir qué estructura de p roteína específica se necesita para alcanzar un fin determ inado que n o pueden realizar las p r o ­ teínas existentes en la Naturaleza. N uestros con o­ cim ientos d el c ó d ig o genético nos perm itirían sa­ b er con exactitud qué ácido nucleico se necesita p ara construir ta l proteína. Entonces, s i conse­ guim os p rod u cir la síntesis de cierta cantidad de este ácid o nucleico, p o r pequeña que sea, estare­ m os «la n za d o s» y podrem os fa b ric a r la nueva p roteína en grandes cantidades. E n ciertos aspectos, la situación actual es aná­ loga a la de 1820. A qu el año p od ía predecirse que los quím icos aprenderían a fa b rica r com puestos orgánicos; que fabricarían m iles y m iles de com ­ 244

puestos tfintétiéos y que incluso fab ricarían com pUestos cuya aplicación se con ocería de antema no. A qu el año hubiera pod id o pronosticarse que antes d e un siglo y medio, serían d e uso genera tizado tintes, fibras, plásticos y productos farm a­ céuticos sintéticos muy superiores, en sus aplica­ ciones específicas, a los productos naturales. Pero tales predicciones hubieran sido calificadas de fantásticas. A h ora podem os hacer •un vaticin io similar, aunque en e l cam po más sofisticado, asom broso e intrincado d e la Química Proteínica. ¿Tam bién re ­ sulta fantástico?

E L O B JETIVO F IN A L La perspectiva del futuro no abarca únicamen­ te a nuevas industrias químicas. E l conocim iento engendra nuevo conocim iento y la prom esa de las investigaciones actuales en la B io logía M olecular es fabulosa. S i se aísla una cantidad suficiente de un A R N m ensajero determ inado y se identifica la enzima que controla, ese A R N m ensajero p od rá utilizarse para identificar la m olécula d e A D N que lo form ó. Se engancharía a la parte de un crom osom a aisla­ do que fuera su com plem ento exacto y a la que se p od ría unir firm em ente p o r enlaces de hidrógeno. Entonces se podría pasar a trazar la exacta «C artografía de los crom osom as». Naturalmente, ello no sería fácil. De todos m odos, ya se ha em ­ pezado. En 1962, R obert S. E dgar, del Instituto de Tecnología de California, anunció haber loca­ 245

lizado aproxim adam ente la m itad de lo s genes existentes en un virus determ inado, al estudiar la naturaleza de la enzim a producida p o r cada uno. Desde luego, E d gar no u tilizó p ara este fin A R N m ensajero sino técnicas más antiguas, basadas en mutaciones. Además, un virus sólo tiene un cente­ n ar de genes en total, m ientras que el hom bre puede tener hasta 150.000. D e todos m odos, es un com ienzo. P o r análogos m edios, podrían llegar a identificarse todas las moléculas de A D N exis­ tentes en cada cromosom a. A pa rtir de aquí, los avances podrían continuar en distintas direcciones. P o r ejem plo, podrían lo ­ calizarse los crom osom as de células de distintos tejidos, a fin de resolver el irritante problem a de qué es lo que hace a un tejid o ser d iferente de otro. A l fin y al cabo, incluso un organism o tan com ­ p le jo com o el ser humano em pieza su existencia com o una sim ple célula fecundada; dotada, eso sí, de un doble lo te de genes. De esta célula origi­ nal proceden más de cincuenta billones de células humanas y, aunque el índice de proliferación pa­ rezca enorm e, pueden producirse m ediante sólo 47 divisiones sucesivas. Pueden ustedes com probarlo, considerando que, a la prim era división, la célula origin al se convierte en dos. A la segunda división, éstas se convierten en cuatro. A la tercera, las cuatro célu­ las pasarán a ser ocho. Repitan la operación 47 veces, si tienen paciencia para ello, y anoten el resultado. Los crom osom as se reproducen en cada caso, p o r lo que sería de esperar que todas las células 246

d el ser hum ano adulto tuvieran genes idénticos. Sin em bargo, ello sign ificaría qu e todos tendrían enzim as idénticas y, p o r lo tanto, m ecanism os c e ­ lulares y propiedades idénticas. La realidad es m uy distinta. Las células de ca­ da órgano y de cada te jid o de un órgano tienen su p rop ia com posición enzim ática característica, sus facultades y sus propiedades. U na célula nerviosa, una célula muscular, una célula ósea, una célula renal, una célula de glándula salivar, distan 47 di­ visiones de un m ism o óvu lo fertiliza d o y, n o obs­ tante, son totalm en te diferentes en tre sí. H asta ahora no h a em pezado a com prenderse, p o c o a poco, la base quím ica de esta diferencia­ ción de tejid os. Recientem ente, aún no se sabía si los distintos tejid os se form an porque, en e l cur­ so de la d ivisión celular, determ inados grupos de células p ierden irnos genes determ inados o si cada célula contiene ju egos de genes com pletos y neu­ traliza o inhibe la acción de algunos de ellos. Los resultados d e p o r lo menos dos experim en­ tos realizados últim am ente parecen ap oyar la se­ gunda alternativa. En la U piversidad d e O xford, los investigadores m ataban con rayos u ltra v io le ­ ta e l núcleo de huevos de rana, qu e posteriorm em te eran sustituidos p o r núcleos de em b rión de rana o, incluso, de sapo. Fue suficiente e l treinta p o r ciento de los núcleos de los em briones para p e rm itir la d ivisión de la célula d el huevo y produ­ c ir ranas adultas norm ales. E l cuatro p o r ciento de los núcleos de las células intestinales de un sapo recién nacido hizo o tro tanto. P o r lo visto, pues, incluso después de bastante avanzado e l proceso de diferenciación el núcleo de una célula 247

de rafia contenía todos los genes necesarios para producir una rana com pleta. A quí se acopla tam bién e l trabajo realizado por Ru-chih C. Huang y James B onner en el Instituto de Tecnología de California. Estos dos investiga­ dores estudiaron los componentes proteínicos de los crom osom as y descubrieron que, en algunos casos, podían aum entar la velocidad a la que se produce el A R N m ensajero, al elim in ar ciertas variedades de proteína existentes en el crom oso­ ma. P o r lo tanto, es posible que algunas proteínas actúen de «c e r r o jo » bloqueando la acción de de­ terminadas moléculas de ácido nucleico. En tal caso, toda célula, p o r especializada que sea, pue­ de seguir conteniendo todos los genes y poseer su propio cuadro de proteína de bloqu eo qu e neutra­ lice a determ inados genes de las células nerviosas, musculares, etcétera. De ser así, es posible que un día aprendamos a desbloquear los genes. Entonces, ¿no podríam os estim ular el muñón de un brazo am putado a desa­ rro lla r un brazo nuevo, localizando sus células, haciéndolas trab ajar y volviéndolas a neutralizar? ¿U obten er fragm entos de te jid o em brionario o de óvulos fertilizados y ponerlos a p ro d u c ir sólo corazones o riñones para utilizarlos en los tras­ plantes? Tam poco hay que pararse en la posibilidad de las reparaciones físicas. Tam bién podríam os c o ­ rregir deficiencias generales, com pensando dese­ quilibrios horm onales o anulando p o r com pleto el p eligro d el cáncer. En los crom osom as pueden detectarse la loca­ lización de las deficiencias que provocan determ i­ 248

nadas enferm edades hereditarias y trastornos de los m ecanism os quím icos de la célula. E llo p o ­ dría p e rm itir e l diagnóstico p recoz d e afecciones que generalm ente se m anifiestan a l cabo de los años. Incluso p odría ser p osib le detectar la p re­ sencia en un individuo de un defecto que, neutra­ lizado en é l p o r la presencia de una m olécula de A D N norm al en el crom osom a afectado, podría m anifestarse en su descendencia. Y tam bién cabría esperar un futuro lejan o en el que los individuos se som etieran periódicam en­ te a los «análisis génicos* d el m ism o m od o que hoy nos vacunamos. E llo podría conducir a l desa­ rro llo de una base racional de la eugenesia, es decir, la acción dirigida a elim inar los genes n o­ civos y fom en tar la propagación de los saludables. T al vez e l análisis génico m asivo de la pobla­ ción nos dé algún día la inform ación necesaria para descubrir la raíz física de las enferm edades mentales. T a l v e z incluso lleguem os a descubrir las com binaciones de genes que determ inan p ro ­ piedades tales com o la gran inteligencia, la crea­ tividad artística y esas cualidades que constituyen la esencia de la Hum anidad en su fo rm a más no­ b le y elevada. ¿Llegará entonces e l día en que podam os al­ canzar el supremo o b je tiv o de gobernar nuestra evolución, inteligente y resueltamente, a fin de desarrollar una fo rm a de vid a m e jo r y más avan­ zada?

ÍNDICE

I n tr o d u c c ió n : E l d e s c u b r im ie n t o .

.

.

5

Ca p í t u l o P r i m e r o

H E R E N C IA Y CROMOSOMAS Antes de la c ie n c i a ...................... G e n é t i c a ......................................... División c e l u l a r ............................

21 23 25

Ca pítu lo I I DE IM PO R TA N C IA PR IM O R D IA L La sustancia del cromosoma . . . V a r i e d a d ......................................... M ayor v a r i e d a d ............................ Enzimas en d e s o rd e n .....................

.

35 39 42 45

Ca p ít u l o I I I

E L LENG U AJE D E L A Q U IM IC A Á to m o s ............................................................... M o lé c u la s ..................................................... Cadenas de c a r b o n o ................................. Carbono en a n illo s ........................................

Ca

p ít u l o

51 55 58 65

IV

LA S P IE Z A S DE CONSTRUCCIÓ N DE P R O TE IN A S Moléculas gigan tes........................................ A m i n o á c id o s .............................................. Cadenas se c u n d a ria s ................................. D e la palabra a la f r a s e ...........................

C

a p ít u l o

75 78 83 94

V

F IG U R A DE L A P R O T E IN A Núm ero y o r d e n ............................................... 103 L a configuración. Versión pequeña . . 107 L a configuración. Versión grande . . . 115 L a configuración y su potencial . . . 120

C

a p ít u l o

V I

LO C A LIZ A C IÓ N D E L CÓDIGO E l patrón ..................................................... 127 L a caída de la proteína . . . . 130 Auge del ácido nucleico . . . . . ‘. • 135

Ca pítu lo V I I

EL COMPUESTO C E N IC IE N TA F ó s fo ro .................................................... 143 Las dos v a r ie d a d e s . Purinas y pirimidinas . . *. . . . Ensambladura de las piezas . . . .

Ca

p ít u l o

147 151 155

V III

DE CADENA A H ÉLICE Longitud de la cadena. . . . . Diversidad de la c a d e n a ......................168 Entra la h é lic e ......................................... 172

C

a p ít u l o

165

IX

FILAM ENTOS COM PLEM ENTARIOS L a combinación purina/pirimidina . . Dos por uno . . , . . . . . E rrores.....................................................189 Filamentos hechos por el hombre . . .

Ca

p ít u l o

179 183 194

X

EL MENSAJERO DEL NÚCLEO Usos del A R N ....................................................203 El lugar de la sín tesis....................................... 208 E l A R N en el lugar de la síntesis . . . 211 Confección de la c la v e ....................................... 214

Ca p ít u l o X I

DESCIFRANDO E L CÓDIGO Los t r í o s ......................................................... 223 Utilización del A R N mensajero . . . 230 Diccionario de los t r í o s ................................ 233

C a p ít u lo X II

E L FUTURO Ingeniería su b celu la r.......................................241 E l objetivo f i n a l ............................................. 245

Otras obras de

ISAAC ASIMOV

E n 1944 se d e s c u b r ió q u e u n c o m p u e s t o q u í­ m ic o , el A D N ( á c i d o d e s o x i r r i b o n u c l e i c o ) , p o d í a c a m b i a r la s b a c t e r ia s . P o s t e r i o r m e n t e d e s c u b r im ie n t o s a c e rc a d e l A D N h a n p e r m i­ t i d o d e s d e e n t o n c e s in c a l c u l a b l e s a v a n c e s c ie n t íf ic o s , u n o d e l o s c u a l e s e s el « d e s c i ­ f r a m i e n t o » p a r c ia l d e l c ó d i g o g e n é t ic o . I s a a c A s i m o v , el f a m o s o a u t o r c ie n t íf ic o , e x p l o r a b r illa n t e m e n t e la c o m p l e j a f u n c i ó n d e c é lu ­ la s , c r o m o s o m a s , m o l é c u l a s y p r o t e ín a s , a l t ie m p o q u e e x p l ic a e ste a s o m b r o s o d e s c u ­ b r i m i e n t o e n la b i o l o g í a m o l e c u la r . N o s m u e s t r a c ó m o el « e s q u e m a » q u e c o n t ie n e el c r o m o s o m a d ic t a la s c a r a c t e r ís t ic a s d e u n i n ­ d iv id u o , y d e q u é m a n e r a a s e g u r a u n p la n h e ­ r e d it a r io d e a s p e c t o , in t e lig e n c ia y e s t r u c t u r a c o r p o r a l . A s i m o v n o s s e ñ a la l a s e x c it a n t e s p o s ib ilid a d e s q u e a h o r a se b r in d a a la C ie n c ia a c a u s a d e l d e s c u b r i m i e n t o d e l A D N : el h o m ­ b r e c a d a v e z se a c e r c a m á s a l s e c r e t o d e la v i ­ d a . Q u i z á s é l m i s m o se a u n d í a c a p a z d e c r e a r v i d a e n f o r m a s n u e v a s y n u n c a v is t a s .

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