Cuando llegué a California a estudiar biología, no tenía idea, como la mayor parte de los físicos, de qué era el ribosoma y apenas tenía una vaga noción de qué era un gen. Sabía que los genes transportan los rasgos que recibimos de nuestros ancestros y que le heredamos a nuestros descendientes, pero aprendí que son mucho más que eso. Son las unidades de información que permiten que un organismo completo se desarrolle a partir de un solo óvulo fertilizado. Aunque casi todas las células contienen un juego completo de genes, en distintos tejidos están encendidos conjuntos diferentes de ellos, así que una célula del pelo o la piel es muy distinta de una del hígado o el cerebro. ¿Pero, de entrada, qué son los genes?
En términos generales, un gen es un trozo de ADN que contiene información sobre cómo y cuándo hacer una proteína. Las proteínas llevan a cabo miles de funciones vitales. Por ejemplo, son lo que hace que se muevan los músculos. Nos permiten sentir la luz, las texturas y el calor, y combatir las enfermedades. Llevan oxígeno de nuestros pulmones a nuestros músculos. Incluso pensar y recordar es posible gracias a las proteínas. Muchas proteínas llamadas enzimas catalizan las reacciones químicas que construyen los otros miles de moléculas en la célula. Así pues, las proteínas no sólo le dan a la célula su estructura y su forma sino que también la hacen funcionar.
FIGURA 2.1. Estructura del ADN.
Comprender cómo la información en un trozo de ADN podría usarse para hacer una proteína fue la culminación de una emocionante década que comenzó con un artículo clásico de 1953 de James Watson y Francis Crick sobre la estructura de la doble hélice del ADN. A menudo, la estructura de una molécula no explica inmediatamente cómo funciona. Eso no pasa con el ADN, que de inmediato sugirió cómo podía transmitir información y a la vez cómo podía reproducirse. Durante mucho tiempo había sido un misterio cómo se duplica la información en una célula cuando se divide o cómo su descendencia hereda esa información cuando el organismo se reproduce.
FIGURA 2.2. Proteínas.
En cada molécula, las dos hebras de ADN que se entrelazan para formar una doble hélice corren en direcciones opuestas. Cada hebra tiene una columna vertebral de azúcares y grupos fosfato alternados, y uno de cuatro tipos de bases —A, T, C o G— se fijan al azúcar y miran hacia el interior de la hélice. Cuando jugaba con siluetas de cartón de las bases, a Watson se le ocurrió una idea brillante: se dio cuenta de que una A en una de las hebras puede unirse químicamente con una T de la otra hebra, pero no con cualquiera de las demás bases, mientras que la G de una hebra puede hacerlo con una C de la otra. La forma de cada par de bases, ya sea AT o CG, era más o menos la misma, lo que significa que, sin importar el orden de las bases, la forma general y las dimensiones de la doble hélice eran más o menos las mismas. Esta disposición en pares de bases significaba que el orden de las bases en una hebra determinaría con precisión el orden en la otra. Cuando las células se dividieran, ambas hebras se separarían y cada una contaría con información que serviría como plantilla para construir la hebra contraria, dando como resultado dos copias de la molécula de ADN a partir de una sola. Así, los genes eran capaces de duplicarse a sí mismos. Después de siglos, finalmente entendimos en términos moleculares cómo pueden transmitirse los rasgos hereditarios de generación en generación.
FIGURA 2.3. Transcripción: un gen cifrado en forma de ADN se copia a un ARN mensajero.
La estructura sugirió de inmediato cómo podían duplicarse y heredarse los genes, pero no cómo la información contenida en ellos podía usarse para construir proteínas. El problema era que cada hebra de ADN es una larga cadena compuesta de ladrillos compuestos a su vez por los cuatro tipos de bases, pero las proteínas son cadenas completamente distintas, hechas de aminoácidos, y sus enlaces químicos son totalmente diferentes. Su enorme variedad se debe a que existen 20 tipos de aminoácidos, que tienen una amplia variedad de propiedades químicas. Cada cadena de proteínas tiene una longitud y un orden único de aminoácidos, y sorprendentemente contiene la información necesaria para que la cadena se pliegue en una forma característica que le permite desempeñar su función particular. Crick comprendió que el orden de las bases en el ADN codificaba el orden de los aminoácidos en una proteína, pero la pregunta aún era cómo.
Por más de una década, muchísimas personas trabajaron en este problema. Resulta que la tira de ADN que contiene un gen se copia en una molécula emparentada llamada ARN mensajero o ARNm, cuyo nombre se debe a que dicha molécula transporta el “mensaje” genético a donde se necesita. El ARN —sigla que significa ácido ribonucleico— se distingue del ADN —o ácido desoxirribonucleico— en que tiene un oxígeno extra en el anillo de azúcares. El ARN también tiene cuatro bases, pero en éste la base timina (T) del ADN es reemplazada por una base muy similar, el uracilo (U), que también se une a la base A.
¿Cómo pasas de tener cuatro tipos de bases a veinte tipos de aminoácidos? Es como seguir una larga serie de instrucciones escritas en algún código usando un alfabeto desconocido. Resulta que las bases se leen en grupos de tres y cada uno de esos grupos se llama codón. La forma en que se leen —y esto lo predijo Crick— es que otra molécula de ARN, llamada ARN de transferencia o ARNt, tiene un aminoácido especial en un extremo y un grupo de tres bases llamado anticodón en el otro. El anticodón y el codón forman pares de bases, iguales que los que existen entre las dos hebras de ADN. El próximo codón es reconocido por un ARNt diferente, que lleva consigo su propio aminoácido, etcétera.
FIGURA 2.4. ARN de transferencia: las moléculas adaptadoras que acarrean aminoácidos y leen el código del ARN mensajero.
El siguiente gran descubrimiento fue que nada de esto ocurre por sí solo. Los biólogos celulares descubrieron partículas en las células en donde se lee el ARNm y se fabrican las proteínas. Estas partículas eran diminutas para los estándares normales: caben unas cuatro mil en el grosor de un cabello humano y se cuentan por miles en cada célula, desde las bacterias hasta las de los seres humanos, pero son enormes en términos moleculares. Cada una contiene unas 50 proteínas y tres grandes fragmentos de su propio ARN: un tercer tipo de ARN (además del ARNm y el ARNt). Al principio, los científicos se referían a estas partículas como “partículas de ribonucleoproteína de la fracción microsomal” porque estaban hechas tanto de ARN como de proteínas y se habían aislado de fragmentos celulares conocidos como microsomas. Era un poco un trabalenguas, así que, en una conferencia que se celebró a fines de la década de 1950, Howard Dintzis sugirió el nombre ribosoma, que es como se le ha llamado desde entonces. Dintzis también fue la primera persona que determinó la dirección en la que se construye una cadena de proteínas. Confieso con vergüenza que, tras trabajar por 30 años en esta disciplina, no conocía a Dintzis ni su trabajo. Cuando finalmente lo conocí en 2009 en la Universidad Johns Hopkins, a donde fui invitado para dar una conferencia bautizada en su honor, él seguía comprensiblemente orgulloso de haber acuñado la palabra.
FIGURA 2.5. Composición de los ribosomas.
El ribosoma completo tiene medio millón de átomos. Puesto que es el vínculo entre nuestros genes y las proteínas que éstos determinan, el ribosoma se encuentra en la encrucijada misma de lo vivo. Pero, aunque todo mundo entendía esto, nadie sabía qué aspecto tenían los ribosomas, más allá de que eran una masa amorfa compuesta de dos partes. Y ése era un auténtico problema. De algún modo el ribosoma se unía al ARNm y juntos agrupaban los aminoácidos que transportaban hasta allí los ARNt para formar una proteína. Pero, sin saber qué aspecto tenía, ¿cómo podíamos entender cómo funciona el conjunto?
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