La molécula más bella del mundo

8/8/2019 La molcula ms bella del mundo

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La molcula ms bella del mundoMartn Bonfil Olivera

Esa maana de 1953, luego de largas semanas de tratar infructuosamente deresolver el problema de la estructura del cido desoxirribonucleico, James Watsonmir casualmente una escalera de caracol, y en ese momento tuvo un chispazogenial.

Lo tengo, Francis! exclam, el ADN es una doble hlice en forma deescalera de caracol!

Tienes razn confirm, entusiasmado, su colega Francis Crick, son doscadenas enrolladas una alrededor de la otra!

Suena bonito, verdad? Pero no fue as como se descubri la estructura de lamolcula ms famosa del mundo. En ciencia las cosas son siempre un poco mscomplicadas, aunque tambin ms interesantes.

Qu se necesita para ganar un premio Nobel? Algunos dirn que hay que ser ungenio; otros, que se requiere provocar una revolucin cientfica, como hizoEinstein, o bien que basta con inventar algo nunca antes visto, o descubrir unsecreto que nadie haya podido develar durante mucho tiempo.

El polmico caso del estadounidense James Dewey Watson y el ingls Francis

Harry Compton Crick parece una combinacin, en partes desiguales, de todosestos elementos. Se parece tambin a una historia de detectives, o al armado,pieza por pieza, de un complicado rompecabezas. Juntos, impulsados por suentusiasmo (y con un poco de ayuda de sus amigos), Crick y Watson descubrieronen 1953 la estructura de doble hlice de la molcula del cido desoxirribonucleico(ADN).

Por qu tanta alharaca?

Todos sabemos lo importante que es el ADN: los genes que estn en el ncleo decada una de nuestras clulas estn hechos de ADN. Desde ah controlan quprotenas fabrica la clula, y cundo. Como las protenas forman el material delque estn hechas las clulas, y adems regulan las reacciones qumicas que sellevan a cabo ah dentro, resulta que los genes del ncleo controlanindirectamente todas las actividades de una clula (y por tanto, de todo ser vivo).
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Se trata de una estructurasimtrica, armoniosa, queimpresiona con su mezclade sencillez ycomplejidad.

Medallistas Nobel 1962: (de izq. a der.) Maurice Wilkins(fisiologa o medicina), M. Perutz (qumica), Francis Crick(fisiologa o medicina), J. Steinbeck (literatura), JamesWatson (fisiologa o medicina), J. Kendrew (qumica).

Hoy, en el siglo XXI, nos encontramos con el tema de los genes a cada paso:hablamos de enfermedades genticas, causadas por defectos en la informacinde los genes. Podemos fabricar sustancias tiles por medio de la ingenieragentica, que es una forma elegante para decir que introducimos en unorganismo genes de otro. En todos lados se discuten los pros y contras de laclonacin, o produccin de un organismo que contenga exactamente los mismosgenes que otro. Se habla tambin de los peligros y beneficios que puede acarrearla creacin de plantas y animales transgnicos (los que contienen genesprocedentes de otra especie). En pocas palabras, estamos viviendo plenamenteen la era de la gentica. Sin embargo, todo esto comenz con un descubrimientohecho hace medio siglo.

El 25 de abril de 1953 se public en la revista inglesa Natureuno de los artculoscientficos ms importantes de la historia. Se titulaba Estructura molecular de loscidos nucleicos. Una estructura para el cido nucleico de desoxirribosa, y estaba

firmado precisamente por J. D. Watson y F. H. C. Crick. El ttulo no parece muyemocionante, pero hizo que sus autores recibieran, nueve aos despus, elpremio Nobel de fisiologa y medicina.

El artculo fue la culminacin del trabajo de muchas personas durante varios aos.Puede considerarse que con su publicacin se inici la era de la genticamoderna. Y cuando decimos gentica moderna nos referimos a la genticamolecular: a partir del artculo de Crick y Watson pudo entenderse cmo estabanhechas las molculas de la herencia.

La prehistoria del ADN

Los genes ya se conocan desde 1866, cuando el monje austriaco Gregor Mendel public losresultados de sus investigaciones con chcharos, en los que postulaba la existencia de unidadesindividuales de la herencia a las que llam, precisamente, genes.

A partir de entonces, y hasta 1953, los avances en la gentica haban sido hechos por medio decuidadosas cruzas, usando animales, plantas y microorganismos. Se necesitaron casi 80 aospara que, en 1944, el mdico canadiense Oswald Avery comprobara que los genes no estnhechos de protenas, como muchos pensaban, sino de una sustancia que el bioqumico alemnFriedrich Miescher haba descubierto en 1869. Esta sustancia se hallaba en el ncleo celular, tena


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propiedades cidas y entre sus componentes estaba un azcar llamado desoxirribosa; por todoesto, se la conoca como cido desoxirribonucleico. Posteriormente se supo que se trataba de unamolcula gigantesca, o macromolcula, formada por cientos de miles de tomos (tambin lasprotenas y algunos otros tipos de azcares son molculas gigantes).

A partir del descubrimiento de Avery, la pregunta ms interesante que poda hacerse un bioqumicoera: cmo est construida la molcula del ADN? Despus de todo, tena que ser una molculamuy especial, pues tiene dos propiedades nicas. En primer lugar, es capaz de almacenar lainformacin gentica para formar un organismo completo, ya sea una bacteria, un hombre, un pinoo una ballena azul. En segundo, la propiedad ms sorprendente, pues es quiz lo ms fundamentalpara la vida: el ADN puede reproducirse, fabricar copias de s mismo. Hasta ese momento, no se

conoca ninguna molcula, por complicada que fuera, que pudiera cumplir con estos requisitos.

ms...

Armando el rompecabezas de la vida

Watson y Crick partieron del muy sensato principio de que para entender cmo funciona algo,primero hay que saber cmo est hecho. Por ello, decidieron concentrarse en averiguar laestructura molecular del ADN.
http://www.comoves.unam.mx/articulos/adn/adn3.htmlhttp://www.comoves.unam.mx/articulos/adn/adn3.htmlhttp://www.comoves.unam.mx/articulos/adn/adn3.html


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En 1951, cuando comenzaron a investigarlo, ya se conoca algo sobre la estructura de la intrigantemolcula. Se saba, por ejemplo, que contena carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y fsforo.Tambin se saba que est formada por largas cadenas de unidades llamadas nucletidos(vaserecuadro).

La columna vertebral de la molcula est formada por fsforo (en forma de grupos fosfato) y elazcar desoxirribosa. De esta columna sobresalen las llamadas bases pricas (adenina y guanina)y pirimdicas (timina y citosina). Se pensaba que, de alguna manera, la informacin gentica delADN estaba escrita en el orden de las bases en la molcula. Lo que no se saba era cuntascadenas formaban una molcula, ni cmo se acomodaban una respecto a otra.

Finalmente, se contaba tambin con un dato curioso: estudiando ADN de diversas especies, elbioqumico austriaco Erwin Chargaff haba encontrado que el contenido de adenina era siempreigual que el de timina, y el de guanina era igual al de citosina (aunque las proporciones de adenina+ timina y guanina + citosina variaban segn el organismo de que se tratara). Nadie poda imaginarqu significaban estas reglas de Chargaff, pero estaba claro que no se trataba de unacoincidencia.

Por aquel entonces, Watson era un nio genio de 23 aos. Haba obtenido su doctorado enChicago, donde se haba especializado en ornitologa (el estudio de los pjaros). Haba ido aCopenhague, Dinamarca, a estudiar gentica, pero como encontr poco estimulante el ambiente,decidi mejor ir a Cambridge, Inglaterra, al famoso Laboratorio Cavendish, donde se aplicaba unanueva tcnica conocida como cristalografa por difraccin de rayos X (vase recuadro) paraestudiar la estructura de molculas biolgicas, sobre todo protenas.

Crick, por su parte, tena 33 aos y, luego de estudiar fsica y trabajar en el desarrollo del radar,durante la Segunda Guerra Mundial, haba ido a dar al mismo laboratorio. Se reconocaampliamente su gran inteligencia, pero hasta el momento no haba logrado obtener un xitoimportante. Como la mayor parte de los cientficos que trabajaban ah, se interesaba en averiguarla estructura molecular de las protenas.

La historia se complica

Y es aqu donde entran en escena otros dos personajes importantes de esta historia. As como enel Laboratorio Cavendish se aplicaba la cristalografa por difraccin de rayos X para estudiar laestructura de las protenas, en el Kings College, en Londres, el fsico Maurice Wilkins haca lomismo con el cido desoxirribonucleico. Durante aos, Wilkins haba estado tratando de obtener (einterpretar) buenas imgenes del complicado patrn que producan los rayos X al pasar a travsdel ADN. Su hbil colaboradora, Rosalind Franklin, llegada recientemente, haba logrado algunasimgenes especialmente claras, y comenzaba a estudiarlas, aunque al parecer no gustaba muchode comunicar sus resultados a Wilkins.
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La cristalografa de rayos X

No es casual que Watson y Crick fueran

a dar al Laboratorio Cavendish: la

cristalografa de rayos X, que ah se

desarroll, era una tcnica novedosaque haba permitido, por primera vez,

observar cmo estaban acomodados

los tomos que forman una molcula.

Habitualmente, los mtodos qumicos

haban bastado para deducir cmo

tenan que estar ordenados en el espacio

los tomos en un compuesto. Pero esto

sirve slo para molculas simples,

formadas por unos cuantos tomos;

quiz unas decenas. Para molculas

gigantes como protenas o cidos

nucleicos se necesitaba un mtodo ms

directo.

Usar un microscopio convencional (que

usa luz) no era una posibilidad: con l

pueden verse bacterias, pero los tomos

son varios miles de veces ms

pequeos. Incluso utilizando el

microscopio electrnico, perfeccionado

en 1937, las protenas y el ADN slo se

podan ver como manchitas borrosas.

Los rayos X, a diferencia de la luz

visible y los electrones, son ondas cuyas

oscilaciones (su longitud de onda) son

muy pequeas. Tanto que pueden usarsepara ver tomos. De modo que, enteora, podran usarse los rayos X,

hacindolos pasar a travs de una

muestra de protenas (o ADN), para

obtener una imagen de los tomos que lo

formaban.

Por desgracia, no hay lentes que puedan

enfocar los rayos X, como las lentes de

cristal en un microscopio ptico enfocan

la luz, o los campos magnticos en uno

electrnico enfocan los electrones. Lo

nico que se poda hacer era dirigir el

haz de rayos X a travs de la muestra y

colocar del otro lado una placa

fotogrfica, de modo que se obtena una

serie de manchas. Posteriormente,

utilizando tcnicas matemticas, poda

intentar deducirse dnde tenan que estar

los tomos de las molculas para haber

desviado (difractado) los rayos X de

manera que se produjera ese patrn de

manchas en particular.

Cuando Watson y Crick comenzaron a interesarse en la estructura molecular del ADN, estaban encierto modo entrando en el campo de estudio de los expertos Wilkins y Franklin. Los entrometidosCrick y Watson no estaban suficientemente capacitados para obtener e interpretar patrones derayos X. Pero en cambio, tenan ideas frescas.Las protenas que se estudiaban en el Cavendish, al igual que el ADN que se estudiaba enLondres, estn formadas por miles de tomos. Desentraar su estructura exclusivamente a partir


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de los datos de difraccin de rayos X era un problema maysculo (sobre todo en esa poca enque no haba computadoras!). Fue por eso que Crick y Watson tuvieron que utilizar una va corta.

El atajo de Linus Pauling

En la poca en que todo esto suceda, una personalidad clebre destacaba en el mundo de la

bioqumica y la naciente biologa molecular: el estadounidense Linus Pauling, considerado el mejorqumico del mundo. Entre muchas otras cosas, haba desarrollado una teora del enlace qumico(que mantiene unidos a los tomos), y haba contribuido a consolidar la tcnica de difraccin derayos X.

Un reciente logro espectacular de Pauling haba sido deducir, partiendo nicamente de principiosqumicos, la forma que podan adoptar algunas molculas de protena. Para lograr esto, Pauling sehaba auxiliado de modelos tridimensionales construidos con bolas y varillas. Los habamanipulado hasta encontrar una configuracin que no violara las reglas qumicas y a la vez pudieraexplicar la estructura de las protenas. Su modelo, conocido como hlice alfa (hlice, para losqumicos y matemticos, es una estructura en forma de escalera de caracol), fue todo un xito. Suestabilidad se deba a la formacin de enlaces qumicos dbiles (llamados puentes de hidrgeno)entre partes distintas de una misma cadena de protena. Posteriormente se comprob (mediantedifraccin de rayos X, por supuesto) la existencia de la hlice alfa en diversas protenas.

Al considerar lo difcil que estaba resultando resolver la estructura del ADN usando slo la tcnicade difraccin de rayos X, Watson y Crick decidieron probar el mtodo de Pauling, y comenzaron aconstruir modelos cuidando, por supuesto, que coincidieran con los datos de rayos X que yatenan acerca del ADN para tratar de encontrar estructuras posibles.

Su primer intento constaba de tres cadenas, en las que el espinazo de fosfatos y desoxirribosasestaba en el centro, mientras que las bases se encontraban apuntando hacia el exterior.

Pero fue un fracaso. Bast con mostrrselo a Wilkins y Franklin, que haban viajado desde Londresa verlo, para que sealaran que la repulsin elctrica entre las cargas negativas de los fosfatos,agrupados al centro, hara que la estructura fuera muy inestable. (Curiosamente, poco antes deque Watson y Crick dieran con la estructura correcta, Pauling mismo construy un modelo de tres

hlices con los fosfatos en el centro. El gran qumico pareci haber olvidado por un momento losprincipios bsicos. Quiz, si no hubiera sido as, los nombres de Crick y Watson hubieran ido aengrosar la lista de los grandes segundones en ciencia.)

Pero nuestros protagonistas no se dieron por vencidos. Revisaron sus conceptos de qumicabsica y continuaron tratando de construir un mejor modelo.


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La fotografa crucial

Afortunadamente, haba piezas sueltas del rompecabezas que todava no haban utilizado. Y unanueva pieza apareci poco despus.

Las fibras de ADN con las que Wilkins haba estado trabajando contenan algo de agua, pero nomucha. Poco antes, Rosalind Franklin haba obtenido otras fibras con mayor contenido de agua.Cuando dirigi a ellas sus rayos X, el resultado fue sorprendente: el patrn de manchas generadaspor la difraccin (desviacin) de los rayos al pasar cerca de los tomos del ADN era mucho mssencillo que los que se haban obtenido hasta ese momento. Wilkins y Franklin llamaron a estanueva presentacin del ADN estructura B.

Cuando Crick y Watson vieron las fotos de la estructura B, inmediatamente supieron que tenanuna segunda oportunidad de resolver correctamente la estructura de la molcula.Hasta ese momento, los datos no haban permitido comprobar plenamente que el ADN tuvieraforma de hlice. Pero la fotografa de la estructura B mostraba claramente una serie de manchasen forma de cruz, lo que para los expertos era seal inequvoca de una estructura helicoidal.

Haciendo una serie de clculos, Watson y Crick lograron extraer ms informacin til de lafotografa: averiguaron que las bases estaban agrupadas en el centro de la molcula, igual que losescalones de una escalera de caracol, con los barandales de fosfatos y desoxirribosas haciaafuera. Pudieron medir la distancia que separaba estos escalones, y midieron tambin eldimetro de la hlice.

Pero segua faltando lo ms importante: descubrir cmo poda acomodarse exactamente cadatomo de las cadenas para producir las manchas que se observaban en la fotografa de laestructura B.


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Aunque todava no era evidente cuntas cadenas formaban la hlice, Watson decidi tratar deconstruir un modelo de dos cadenas. Como no contaba con versiones a escala de las bases,recort unas en cartulina y comenz a probar cmo podan acomodarse en el centro de la hlice.

Hizo un intento de acomodar las bases en pares, como los dientes de un cierre o cremallera.Recordando la hlice alfa de Pauling, pens que quiz las bases de un tipo formaban puentes dehidrgeno entre s (por ejemplo, adenina con adenina y guanina con guanina). De este modo, losenlaces entre las bases proporcionaran la estabilidad para unir las dos cadenas y formar unahlice doble.

En ese momento, Watson comenz a emocionarse. Si su idea era correcta, la estructura del ADNpodra ser ms interesante de lo que l y Crick haban supuesto en un principio: bastara con teneruna de las dos cadenas de la doble hlice y sta servira como molde para poder construir lacadena complementaria. Era posible que la molcula de ADN pudiera de esta manera copiarse a smisma, y con ello quiz podra explicarse la base de la herencia biolgica.

Sin embargo, haba un problema: como las bases pricas (adenina y guanina) son ms grandesque las pirimdicas (timina y citosina), el ancho de la doble hlice variaba segn el tipo de basesque se presentaran: cuando eran dos pricas, la hlice era demasiado ancha, y demasiado

delgada con dos pirimdicas. Sin embargo, la solucin estaba al alcance de la mano. El 28 defebrero, Watson y Crick pudieron anunciar, orgullosamente, que haban descubierto el secreto dela vida.

La molcula ms bella del mundo

Quiz la caracterstica ms impresionante de la molcula de ADN es su belleza. Se trata de unaestructura simtrica, armoniosa, que impresiona con su mezcla de sencillez y complejidad. CuandoCrick y Watson la observaron por primera vez, pensaron, entusiasmados que una estructura tanbonita tena, por fuerza, que existir.

Pero la belleza de la molcula no se halla slo en su forma: tambin radica en la casi increblesimplicidad con que se reproduce a s misma, conservando el orden de sus bases la informacin

gentica a lo largo de millones de generaciones.

Cuando Watson, jugando con sus modelos, se top con la idea fallida de la unin entre basesiguales, faltaban slo unos pocos ajustes para dar con la estructura correcta. En poco tiempo sedio cuenta de que tambin podan formarse otro tipo de pares unidos por puentes de hidrgeno,esta vez uniendo una base prica con una pirimdica: la adenina poda unirse perfectamente slocon la timina, y la guanina slo con la citosina.Inmediatamente se lo comunic a Crick, quien verific que con los nuevos pares de bases podaconstruirse una hlice estable. Tambin se dieron cuenta de que esta nueva configuracin resolvael problema del ancho de la molcula (ahora todos los escalones de la escalera de caracol erandel mismo ancho, formados por una base grande y otra pequea). Y por si fuera poco, seguapermitiendo que una cadena sirviera como molde para construir la otra. Slo que ahora, en vez deque el orden de las bases fuera idntico, las dos cadenas eran complementarias (vase recuadro).


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La complementariedad de bases

Las cuatro bases nitrogenadas que estn

presentes en el ADN pueden formar dos pares,

unidos por enlaces qumicos dbiles llamados

puentes de hidrgeno (representados en lafigura como lneas punteadas). De este modo

se mantienen unidas las dos cadenas que

forman la doble hlice.

Debido a su forma, la adenina slo puede

unirse con la timina, y la citosina con la

guanina. Esta especificidad hace que baste

conocer el orden de las bases de una de las

cadenas para poder construir la cadena

complementaria que se unir a ella.

Hoy se sabe que cuando el ADN se

duplica dentro de la clulas, sus dos

cadenas se desenrollan y se separan,

y se construyen dos nuevas cadenasutilizando como moldes las

originales. El resultado son dos

nuevas dobles hlices, cada una

formada por una cadena nueva y

otra vieja, que contienen

exactamente la misma informacin

gentica.


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Pero haba algo ms importante todava: la nueva estructura explicaba, en forma totalmentenatural, las extraas reglas de Chargaff: ahora estaba claro por qu la cantidad de adenina en


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cualquier molcula de ADN tenaque ser igual a la de timina, y la de guanina a la de citosina. Laspiezas sobrantes del rompecabezas finalmente haban cado en su lugar.

A partir de ese momento, la ruta fue directa. El modelo de la doble hlice fue comprobadoampliamente en los aos siguientes, y abri nuevas y prometedoras vas de investigacin. Nueveaos despus, en 1962, James Watson, Francis Crick y Maurice Wilkins recibieron el premio Nobelde fisiologa o medicina por su descubrimiento. Rosalind Franklin haba muerto en 1958.

Francis Crick y James Watson con su modelo del ADN, en el LaboratorioCavendish.

Con base en conocimientos de qumica y datos fsicos obtenidos por Franklin y Wilkins, Watson yCrick pudieron desentraar el ms profundo secreto de la biologa. El resultado fue de una

simplicidad admirable. Al igual que el fsico Fritz Houtermans, quien en 1929 fue el primero endesentraar la cadena de reacciones nucleares que hacen que el Sol brille, Crick y Watsonpudieron enorgullecerse de ser los primeros en deslumbrarse con la belleza de la doble hlice,situada en el ncleo mismo de la vida. Desde entonces, y hasta llegar a la actual era de lagentica, la perfeccin de esta molcula sigue fascinando a quienes la conocemos. Entender ladoble hlice, puente entre la qumica y la biologa, es admirarla.

Martn Bonfil Olivera es qumico farmacutico bilogo y divulgador de la ciencia. Trabaja en la Direccin General de Divulgacin dela Ciencia, UNAM. Colabora con diversas publicaciones y escribe la columna mensual Ojo de mosca en Cmo ves?

Fuente:

http://www.comoves.unam.mx/articulos/adn/adn5.html

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