LONGITUD DE LA CADENA

Ahora que ya sabemos cómo están unidos los nucleótidos en la molécula de ácido nucleico podemos preguntar cuántos nucleótidos forman un ácido nucleico.

Este problema no preocupó seriamente a los bioquímicos hasta la década de los 40. Y es que, en primer lugar, se daba por descontado que la molécula de ácido nucleico era relativamente pequeña. La misma circunstancia de su asociación con la proteína hacía que ello pareciera plausible: en una proteína conjugada la parte de proteína en sí debía ser (al parecer) el elemento dominante.

Por ejemplo, tomemos la hemoglobina. Ésta contiene, además de sus 574 aminoácidos, cuatro grupos hema. Cada grupo hema es unas cinco veces mayor que el aminoácido medio; aun así, los cuatro hemas juntos representan sólo un 3 por ciento de las moléculas de hemoglobina. (El hema se llama grupo prostético, de una palabra griega que significa «lo que está añadido»).

El hema es la «parte activa» de la hemoglobina. Cada grupo hema tiene en su centro un átomo de hierro al que están unidas flojamente moléculas de oxígeno, de manera que la hemoglobina actúa en el cuerpo en calidad de transportador de oxígeno. No obstante, lo que realmente determina el funcionamiento del grupo hema es la parte de proteína. En el cuerpo hay varias enzimas: catalasa, peroxidasa y varios citocromos, cada una de las cuales contiene uno o más grupos hema; sin embargo, ninguna de ellas puede sustituir 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. Están, por ejemplo, las glicoproteínas que tienen azúcares modificados como grupos prostéticos.

En cada caso, el grupo prostético parece ser un agregado menor a la proteína en su conjunto, con una función menor. Por ello, parecía lógico suponer que también los ácidos nucleicos, al igual que otros grupos prostéticos, eran moléculas relativamente pequeñas con una función subsidiaria en el conjunto de la molécula.

A esta suposición lógica se sumaron las observaciones realizadas por el propio Levene. Él había 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 Levene le pareció que éstas debían de representar el grupo prostético de las nucleoproteínas. También parecía lógico suponer que cada tetranucleótido estaba compuesto por cada uno de los cuatro nucleótidos diferentes.

Desgraciadamente, las conclusiones de Levene estaban basadas en observaciones que no podían reflejar una imagen real. Su método para desprender el ácido nucleico de la proteína requería la utilización de ácidos y álcalis. Éstos desprendían el ácido nucleico, pero también descomponían la cadena nucleótida en pequeños fragmentos y eran estos fragmentos lo que Levene estudiaba.

Finalmente, otros bioquímicos aplicaron métodos de aislamiento más suaves y obtuvieron resultados diferentes. Aislaron ácidos nucleicos que consistían en cadenas de más de cuatro nucleótidos. Poco a poco, se puso de manifiesto que la teoría de la estructura tetranucleótida del ácido nucleico era errónea. Durante los años 40 se obtuvieron cadenas más y más largas; en los 50 se obtenían muestras de ARN con moléculas que contenían mil nucleótidos y muestras de ADN con moléculas que contenían veinte mil nucleótidos.

Pero quizá estos últimos valores sean exagerados. Es posible que, con los procesos de separación actuales, queden unidas ligeramente varias moléculas de ácido nucleico, haciendo que las cadenas 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 formado por una cadena de 200 a 2.000 nucleótidos.

DIVERSIDAD DE LA CADENA

Pese a la revelación de que los ácidos nucleicos pueden ser tan grandes o más que las proteínas (un ácido nucleico compuesto sólo por 200 nucleótidos es tan grande como una molécula de hemoglobina), la teoría de la estructura tetranucleótida subsistió durante algún tiempo, aunque en una versión modificada. Se admitía que una molécula de ácido nucleico fuera algo más que cuatro nucleótidos diferentes combinados en una cadena corta, pero se sugería que la molécula podía consistir en cuatro nucleótidos diferentes repetidos una y otra vez formando una cadena larga.

Si la teoría de la estructura tetranucleótida así modificada fuera correcta, no se podría esperar que los ácidos nucleicos fueran los portadores del código genético. Semejante tetranucleótido múltiple sería, simplemente, como una larga «frase» que repitiera «y… y… y… y…».

Si la molécula de almidón es, simplemente, «glucosa–glucosa-glucosa-glucosa», el ácido nucleico sería «tetranucleótido- tetranucleótido-tetranucleótido»-. El que un tetranucleótido sea siete veces y media más grande que una molécula de glucosa no importa. Una frase que diga «invencible-invencible-invencible» no es mucho más expresiva que la que dice: «y-y-y», a pesar de que en el primero la palabra es más larga e impresionante.

De manera que cuando, en 1944, se publicaron los experimentos de Avery, MacLeod y McCarty, los bioquímicos empezaron a pensar, con cierta desazón, que la teoría de la estructura tetranucleótida, por más que se modificara, no era correcta. El ácido nucleico llevaba la información genética; el modelo 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 mayor atención a los ácidos nucleicos.

Afortunadamente, en 1944, el mismo año en que Avery, MacLeod y MacCarty revolucionaron las teorías existentes sobre los ácidos nucleicos, Martin y Synge desarrollaron la técnica de la cromatografía del papel. Aunque en un principio esta técnica se aplicó a los aminoácidos, pudo adaptarse fácilmente a las purinas y pirimidinas^[18]. La dirección a seguir parecía clara: descomponer los ácidos nucleicos, separar las purinas y pirimidinas, analizar la mezcla purina/pirimidina por cromatografía del papel y luego averiguar si los cuatro están presentes en cantidades iguales.

Si así era, la teoría de la estructura tetranucleótida podía ser correcta. Según esta teoría, las purinas y pirimidinas debían repartirse así: 1-2-3-4-1-2-3-4-1-2-34… por lo que de cada una habría igual cantidad. Pero también podía haber cantidades iguales distribuidas al azar.

Por otro lado, si el análisis de la mezcla purina/pirimidina revelaba que cada elemento se hallaba presente en número distinto, ya no cabría duda: la teoría de la estructura tetranucleótida estaría descartada.

Y así fue. Uno de los más asiduos investigadores del problema fue Erwin Chargaff. En 1947, obtenía ya resultados que revelaban no sólo que purinas y pirimidinas se daban en cantidades diferentes en los ácidos nucleicos sino también que la proporción de un nucleótido respecto a otro variaba en cada ácido nucleico. La teoría de la estructura tetranucleótida había muerto.

A principios de los 50, Chargaíf demostró también que, en realidad, los distintos nucleótidos estaban dispuestos en un orden aparentemente casual. Si ello se confirmaba, el número de disposiciones dentro de un polinucleótido podía ser muy grande. Tal vez no tanto como el de las de una cadena polipéptida de tamaño similar, por supuesto, ya que el polipéptido puede tener hasta 22 unidades diferentes que disponer, mientras que la cadena polinucleótida tiene sólo cuatro. Así pues, una cadena polipéptida compuesta por 20 aminoácidos diferentes puede combinarse de unas 2.400.000.000.000.000.000 (dos trillones cuatrocientos mil billones) de formas, mientras que una cadena polinucleótida compuesta por 20 nucleótidos puede combinarse con poco más de 1.100.000.000 de variaciones. Es decir, la cadena polipéptida tiene la facultad de formar más de dos mil millones de combinaciones más que una cadena polinucleótida compuesta por un numero de unidades similar. Pero ¿quién ha dicho que las cadenas polinucleótidas no pueden tener más unidades que las que posee una proteína? Tomemos una cadena 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 limitación de no contar más que con un máximo de cuatro unidades diferentes en lugar de 20, 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 formar posiciones diferentes.

A principio de los años 50 ya no se dudaba de que las moléculas de ácido nucleico no sólo podían ser portadoras del código genético sin ayuda, sino que lo eran realmente. Pero ¿por qué realizaba esta función el ácido nucleico y no la proteína?

En la Ciencia siempre es aventurado preguntar «¿Por qué?». No obstante, también puede ser interesante. Desde luego, no hay que olvidar que la respuesta al «¿Por qué?» es siempre un poco aleatoria y que no puede compararse con la contundencia de la respuesta a la pregunta «¿Qué?».

En este caso, mi 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 conserve intacto de división celular en división celular y de generación en generación del organismo tal vez sea mucho pedir. Existen demasiados puntos en los que puede introducirse el error.

Supongamos que, por el contrario, la información se almacena en una cadena polinucleótida. Ésta tiene un espinazo de azúcar y fosfato consistente en anillos de átomos acumulados que es mucho más robusto que la médula poliglicínica, relativamente endeble, de las moléculas de proteína, que es una simple cadena de átomos. Además, la cadena polinucleótida, con sólo cuatro unidades diferentes, ofrece al cuerpo una «elección» en cada una de las posiciones, sólo entre cuatro unidades, en lugar de veintidós, por lo que el organismo está menos expuesto a confundirse.

ENTRA LA HÉLICE

Aun así, no es fácil responder a la pregunta de cómo el código genético puede mantenerse intacto de célula en célula y de generación en generación. Aun admitiendo que una cadena polinucleótida puede ser más apta para esta función que una cadena polipéptida, el reconocerlo así no nos permite explicamos cómo se conserva el código.

El primer paso en busca de la respuesta se dio por las mismas investigaciones (del número de purinas y pirimidinas) que demolieron la teoría de la estructura tetranucleótida.

Las desigualdades observadas entre purinas y pirimidinas no parecían en un principio dejar lugar a una esperanza de orden. En general, el número de grupos de adeninas era mayor que el de grupos de guaninas, por ejemplo, diferencia que variaba según la especie. En los ácidos nucleicos obtenidos de los erizos de mar había el doble de adeninas que de guaninas. En el ácido nucleico humano había sólo una vez y media más. En algunas especies, la diferencia se invertía y los grupos de guanina eran más numerosos que las adeninas.

No obstante, con el tiempo se apreciaron ciertas regularidades de carácter general que parecían comunes a todas las especies y criaturas, desde el hombre hasta los virus:

1° El total de adeninas parecía ser aproximadamente igual al total de las timinas del ADN (o al de los uracilos del ARN) en todos los ácidos nucleicos estudiados…

2° El total de adeninas parecía sensiblemente igual al de las citosinas.

3° El total de purinas (adenina más guanina) debía, por lo tanto, ser igual al total de pirimidinas (timina más citosina en el ADN y uracil más citosina en el ARN).

Eran éstas regularidades muy interesantes y, como demostraron los hechos, eran también importantes pistas para descubrir la estructura del ácido nucleico. Pero, antes de poder utilizarlas debidamente, se necesitaba una aportación crucial.

Ésta llegó en 1953, cuando el físico inglés M. H. F. Wilkins estudió los ácidos nucleicos por la difracción de rayos X y dos colegas suyos, un inglés, F. H. C. Crick, Y un norteamericano, J. D. Watson, que trabajaban en la Universidad de Cambridge, utilizaron este trabajo para proponer una importante teoría sobre la estructura del ácido nucleico. En la técnica de difracción de rayos X (utilizada después por Kendrew para determinar la estructura tridimensional exacta de las moléculas de proteínas) se hace incidir un haz de rayos X en una sustancia. La mayoría de los rayos X la atraviesan imperturbables, pero algunos eran desviados de la trayectoria recta.

Si los átomos entre los que pasan los rayos X no están dispuesto de forma ordenada, las desviaciones son también desordenadas. Si se hacen incidir sobre una placa fotográfica después de atravesar la sustancia, aparece un punto central que marca la posición del haz principal. Éste habrá pasado sin desviarse y subsistirá para oscurecer la placa. Alrededor de este punto central se observa una neblina causada por los efectos de los rayos X desviados. Esta neblina se diluye de forma continua a medida que se distancia del punto central y muestra la misma intensidad (o debilitamiento) en todos los ángulos en torno al centro.

Si los átomos entre los que pasan los rayos X están dispuestos ordenadamente, los rayos se desvían en unas direcciones más que en otras. Y es que, por así decirlo, los átomos ordenados se refuerzan mutuamente. Este efecto se acusa especialmente cuando los átomos observan un orden perfecto, por ejemplo, en un cristal. Un haz de rayos X que atraviese un cristal formará un bonito dibujo simétrico de puntos que irradian del foco central. Por las distancias y ángulos de los puntos, se puede calcular la situación relativa de los átomos en el cristal.

Esta misma técnica puede aplicarse a las macromoléculas cuyas unidades se repiten ordenadamente. El orden no es tan simétrico como en el cristal, pero existe un orden. La imagen de la difracción de los rayos X es más desdibujada y difícil de interpretar, pero no es una nebulosa amorfa ni carece de interpretación.

Watson y Crick, trabajando hacia atrás a partir de los datos de difracción de los rayos X, sacaron la conclusión de que la molécula de ácido nucleico estaba dispuesta en forma de hélice. La hélice es una figura en forma de escalera de caracol, mal llamada «de espiral», ya que la espiral es una figura plana, algo así como un muelle de reloj, mientras que la hélice es una curva tridimensional, comparable a un muelle de somier.

Esta conclusión no fue en sí una novedad. Como ya queda dicho, la cadena polipéptida puede doblarse. Pues bien, en 1951, los químicos norteamericanos Linus B. Pauling y R. B. Carey demostraron que las cadenas polipéptidas de proteínas tales como el colágeno están dispuestas en hélices sujetas por enlaces de hidrógeno^[19].

No obstante, el modelo de moléculas de ácido nucleico propuesto por Watson-Crick difiere del modelo de proteína de Pauling-Corey. El ácido nucleico de Watson-Crick está formado por dos cadenas polinucleótidas que componen una hélice entrelazada en tomo a un eje común: Las moléculas azúcar fosfato constituyen las líneas de la hélice, mientras que las purinas y pirimidinas apuntan hacia el interior o centro, como indica la figura 47.

Éste es el modelo que, al fin, hizo encajar todos los datos que con tanto esfuerzo habían sido recogidos sobre las proporciones de purina y pirimidina y que, como veremos en el capítulo siguiente, permitiría abordar de inmediato el problema de la reproducción^[20].