ADN, ARN e información genética

Tu cuerpo está formado por muchas células. Una célula es una pequeña unidad de vida. La membrana celular separa el interior del entorno y regula el intercambio de sustancias; no es un muro sólido que impida todo paso. Dentro, las moléculas fabrican materiales, liberan energía utilizable y transportan sustancias. Una molécula es un grupo de átomos unidos; los átomos son unidades muy pequeñas de la materia y, al reorganizarse, forman sustancias químicas distintas. En este capítulo seguiremos tres cosas: la célula, su membrana y las moléculas que realizan esas tareas.

Muchas de las moléculas que realizan estas tareas son proteínas. Una proteína contiene una o más cadenas de aminoácidos, pequeñas unidades moleculares. Su orden influye en cómo se pliega la cadena y en lo que puede hacer la proteína. No basta con disponer de materias primas: la célula también necesita determinar cómo ordenarlas.

Hemos dicho que la célula necesita conservar un orden, y eso nos lleva al ADN, el ácido desoxirribonucleico, una sustancia que almacena información de secuencias biológicas. «Información» puede sonar abstracto; después seguiremos el orden de sus unidades y veremos cómo otras moléculas lo utilizan. Por ahora, encontremos el material. En el modelo de célula humana, la mayor parte del ADN está en el núcleo, una región rodeada por su propia envoltura. Las mitocondrias también contienen algo de ADN; este ejemplo sigue el nuclear.

Ampliar una estructura pequeña revela detalles, pero puede despertar otra pregunta: «¿Sigo viendo el mismo segmento?». Una célula y una molécula de ADN tienen tamaños tan distintos que necesitamos varias ampliaciones. Antes de pulsar «Siguiente», localiza la selección naranja. La vista cambia, pero el naranja permite reconocer el mismo material seleccionado. Si pierdes la orientación, consulta el pequeño esquema inferior, que conserva su ubicación original.

Los filamentos morados del núcleo representan la cromatina, el ADN y las proteínas que lo organizan. La parte naranja es un segmento seleccionado de esos filamentos. Al distinguir después el ADN y las proteínas alrededor de las que se enrolla, revelamos la composición de la propia cromatina; no descubrimos otro material ajeno en su interior.

Vuelve a observar la unidad de enrollamiento, el nucleosoma: ADN alrededor de un núcleo de ocho histonas. Las histonas son proteínas, no otro nombre del ADN. Muchas unidades así ayudan a organizar una molécula larga. El modelo separa las unidades para mostrar sus conexiones; la cromatina celular no siempre forma una fibra uniforme enrollada de manera regular.

Tampoco podemos usar ADN y cromosoma como sinónimos. Un cromosoma es una unidad organizada de este material de ADN y proteínas. Antes de replicarse, un cromosoma nuclear humano contiene una molécula muy larga de ADN de doble cadena y proteínas asociadas. Aunque esté extendido y resulte difícil distinguirlo al microscopio, sigue siendo un cromosoma; no necesita tener forma de X.

Para aclarar las cantidades, elegimos una célula humana típica con dos juegos de cromosomas: uno de cada progenitor, de 23 cada uno, 46 en total. Es nuestro ejemplo, no una descripción de todas las células humanas. Los óvulos y espermatozoides suelen tener 23 cada uno; los glóbulos rojos humanos maduros no tienen núcleo. Algunas otras células especializadas tampoco encajan en este ejemplo.

Antes de una división ordinaria, cada molécula de ADN se replica. Las copias quedan en dos cromátidas hermanas y permanecen unidas temporalmente. Cada cromátida es una copia de ADN y proteínas. La región estrecha del centro de la X, llamada centrómero, es la zona de unión que solemos reconocer. Cada cromátida contiene una molécula completa de ADN de doble cadena. Por tanto, las mitades de la X no son las dos cadenas de una única doble hélice.

Mientras las hermanas siguen unidas en el centrómero, constituyen una unidad y cuentan como un cromosoma replicado. La cantidad de ADN ya se ha duplicado, pero el número de cromosomas aún no. Solo después de separarse, cada una cuenta como un cromosoma. En una división ordinaria, cada célula hija recibe una copia de cada cromosoma.

El esquema superior sigue un solo cromosoma. Para verlos todos, vuelve al modelo tridimensional del capítulo 2 y pulsa «Comparar los cromosomas durante la división»: muestra 46 cromosomas replicados con 92 moléculas de ADN. Están separados y ordenados para contarlos, sin representar sus posiciones aleatorias en una célula viva ni la placa metafásica. La X indica un cromosoma condensado y replicado, no que todos sean el cromosoma sexual llamado X. La desintegración de la envoltura nuclear y la condensación también llevan tiempo; no ocurren por completo en un instante al pulsar un interruptor.

Volvemos a la molécula de ADN. La materia está formada por átomos y los enlaces químicos pueden unirlos en moléculas. Un nucleótido es una unidad repetida de la cadena de ADN con tres partes conectadas: un grupo fosfato, el azúcar desoxirribosa y una base. La base es solo una parte; no debe confundirse con el nucleótido completo.

Las cuatro bases habituales del ADN son adenina A, timina T, guanina G y citosina C. Usamos letras porque es más fácil seguir doce letras que doce nombres químicos largos. La unión repetida de azúcares y fosfatos forma el esqueleto; cada azúcar también lleva una base. Cambiar una letra cambia la base, no la forma básica de conectar todo el esqueleto.

Colocamos la segunda cadena junto a la primera. El ADN suele aparearse según A con T y G con C. Este apareamiento complementario tiene formas y disposiciones atómicas compatibles que permiten enlaces de hidrógeno. Son atracciones entre grupos atómicos concretos, distintas de los enlaces covalentes que mantienen unido el esqueleto de cada cadena.

A–T suele formar dos enlaces de hidrógeno y G–C, tres. Pero sería incompleto decir que solo esos enlaces mantienen la estructura del ADN. Las bases vecinas también se apilan dentro de la hélice y las interacciones de apilamiento contribuyen mucho a estabilizarla. Observa tanto un par transversal como el apilamiento de bases a lo largo de la hélice.

Algunas partes de la molécula son aproximadamente planas, como los anillos de las bases; otras se extienden en tres dimensiones. Un modelo preciso debe conservar ambas características. Gira el nucleótido, observa el anillo de azúcar plegado y el fosfato tridimensional y compáralos con la base. Esferas y varillas son convenciones para dibujar átomos y enlaces, no fotografías de sus superficies.

Los carbonos del azúcar de cada nucleótido están numerados. $5'$ y $3'$ designan dos posiciones y se leen «cinco prima» y «tres prima». Los nucleótidos vecinos se unen mediante fosfato: la posición $3'$ de un azúcar se conecta a la $5'$ del siguiente. Por eso, los dos extremos de una cadena tienen propiedades químicas distintas. El signo prima distingue la numeración de los átomos del azúcar; no indica derivada, tiempo ni longitud.

Las cadenas del ADN tienen sentidos opuestos. Si la superior va de $5'$ a la izquierda a $3'$ a la derecha, la complementaria va de $3'$ a la izquierda a $5'$ a la derecha. Se llama antiparalelismo y describe su orientación química, no un movimiento en direcciones contrarias.

Usamos las mismas doce posiciones del modelo estructural. En cada una, elige la pareja que debe quedar justo debajo de la base existente. En la posición 1, arriba hay $A$ y abajo debe haber $T$. En la 2, arriba hay $T$ y abajo, $A$. Registramos posiciones enfrentadas de izquierda a derecha; todavía no hemos reescrito la cadena inferior en su propio sentido de lectura, de $5'$ a $3'$.

Una secuencia de ADN aislada suele escribirse de $5'$ a $3'$. Encontrar su complementaria consiste en elegir la base pareja en cada posición. Eso determina las bases, pero el orden mostrado puede ir de $3'$ a $5'$. Para escribirlo de $5'$ a $3'$ debemos invertir ese orden. En estas doce posiciones, la cadena inferior es 3′–TACGCATGCGAT–5′ de izquierda a derecha; leyéndola desde la posición 12 hacia atrás resulta 5′–TAGCGTACGCAT–3′. Cambia la dirección de escritura, no la molécula.

El armazón de azúcar y fosfato se repite, pero el orden de bases puede cambiar. ATG y AGT tienen las mismas tres letras en distinto orden. Las moléculas que interactúan con esos segmentos pueden distinguirlo. Por eso, la secuencia influye en qué fabrica la célula y cuándo. Aquí información significa un orden que puede copiarse y utilizarse mediante interacciones moleculares, no que las letras comprendan su significado.

Un gen es una secuencia de ADN que se utiliza para fabricar un ARN funcional. Algunos ARN llevan instrucciones para producir proteínas; la célula lee la parte correspondiente y determina qué aminoácidos usar. Otros ARN realizan tareas por sí mismos y no sirven para fabricar proteínas, como los ARNt y ARNr que veremos después. Decir que «todos los genes fabrican proteínas» omitiría una clase importante de genes.

No todo el ADN codifica proteínas. Algunas regiones ayudan a regular cuándo se usa un gen; otras tienen funciones estructurales u otras tareas, y algunas aún no se comprenden completamente. Todo el ADN de un organismo constituye su genoma. Un cromosoma es una parte organizada de ese conjunto, no un gen; puede contener muchos genes y otras secuencias.

El ejemplo de doce bases sirve para practicar estructura y apareamiento; no es un gen humano funcional completo. Contener A, T, G y C, o incluso una secuencia corta conocida, no basta para formar un gen con todas las señales necesarias para utilizarlo.

Volvamos a la pregunta inicial: ¿cómo reciben ambas células hijas la información del ADN? Cortar una molécula por la mitad solo daría parte de la secuencia a cada célula. Por eso se fabrica una copia antes de dividirse. Copiar ADN en ADN se llama replicación del ADN.

El apareamiento complementario ofrece un método. Separamos las cadenas sin cortar ninguno de sus esqueletos. Cada base antigua expuesta determina la nueva que debe colocarse al lado: A antigua con T nueva, T con A, y G y C entre sí. La cadena antigua actúa como molde, una secuencia existente que determina la nueva.

El modelo marca el material original con un esqueleto morado y el nuevo con uno azul; los colores de las bases siguen distinguiendo A, T, G y C. Sigue ambas cadenas antiguas hasta el final. Decir que «obtenemos dos nuevas moléculas de ADN» no significa que todos los átomos de ambos productos tengan que ser nuevos.

Al final, cada doble hélice contiene una cadena antigua y una nueva. Esta es la replicación semiconservativa: una de las dos cadenas de cada producto procede de la molécula original. La cadena antigua aporta el orden y los nucleótidos libres aportan material nuevo. Las bases antiguas no se dividen en dos ni se convierten en la cadena nueva.

Las células reales necesitan algo más que una regla de apareamiento. Este párrafo y el siguiente añaden detalles que puedes omitir en una primera lectura. La helicasa es una máquina molecular que ayuda a abrir localmente la doble cadena. La ADN polimerasa es una enzima que añade los nucleótidos adecuados a la cadena en crecimiento. Las enzimas facilitan reacciones químicas y muchas son proteínas. La polimerasa necesita un extremo inicial existente, aportado por un pequeño cebador, y añade unidades al extremo $3'$ de la nueva cadena. Por tanto, el ADN nuevo crece de $5'$ a $3'$.

La zona abierta avanza por el ADN antiguo; su extremo ramificado se llama horquilla de replicación. Como los moldes tienen orientaciones opuestas, las cadenas nuevas no pueden alargarse en el mismo sentido. Una crece en la dirección de avance de la horquilla; la otra lo hace por fragmentos cortos que crecen alejándose de ella. Cada fragmento sigue sintetizándose de $5'$ a $3'$. Tras retirar los cebadores y sustituirlos por ADN, la ADN ligasa sella las discontinuidades del esqueleto para formar una cadena continua; la segunda cadena no se sintetiza al revés.

La animación explica específicamente el apareamiento y el destino del material antiguo. Desplegar una escalera recta y completar posiciones simultáneamente son decisiones de presentación, no una cronología enzimática completa. El modelo también supone una copia correcta. Las células tienen mecanismos de corrección y reparación, pero a veces quedan errores; un cambio de secuencia del ADN se llama mutación.

Ya podemos distinguir dos procesos que pueden confundirse. La replicación copia ADN en ADN para transmitir el genoma durante la división. La transcripción usa un segmento seleccionado de ADN como molde para fabricar ARN. Para un producto de ARN concreto se lee una de las dos cadenas y el ADN original se conserva.

ARN significa ácido ribonucleico. También está formado por nucleótidos, pero su azúcar es ribosa, no desoxirribosa, y sus bases habituales son A, U, G y C. U es uracilo. Durante la transcripción, una A del molde de ADN recibe una U de ARN; durante la replicación recibiría una T. El ARN suele ser monocatenario, aunque regiones de la misma cadena pueden aparearse y plegarse en tres dimensiones.

La traducción es un tercer proceso: usar la secuencia del ARNm, el ARN mensajero, para ensamblar una cadena de aminoácidos. La cadena informativa aporta el orden y los aminoácidos el material; el ARNm no se convierte en proteína. Observaremos por separado el ARNm, el ARNt que transporta aminoácidos y el ARNr del ribosoma que ensambla la cadena.

En el taller siguiente cambiamos deliberadamente a otro ejemplo corto. ATGCGTACGCTA servía para practicar el apareamiento del ADN; aquí, después del procesamiento del ARN, el mensaje es AUG GCU UUU UAA. Así podemos seguir tres aminoácidos y una señal de terminación sin esconder pasos en una secuencia larga. Son dos ejemplos didácticos independientes, no estados anteriores y posteriores de la misma molécula.

La explicación siguiente presenta proteínas y ARN. Con estos objetos entenderemos qué hacen ARNm, ARNt, ARNr y el ciclo de ensamblaje. Cada capítulo tiene una vista estable; «Reproducir» muestra solo el paso actual y se detiene al terminar, y tú decides cuándo pulsar «Siguiente». Solo necesitas girar o ampliar si quieres examinar la estructura; si pierdes la orientación, «Restablecer la vista» recupera la posición del capítulo.

Ya podemos comprobar qué cambia al modificar el orden de las bases. Seguimos con el mensaje corto del taller, AUG GCU UUU UAA. Aquí aparece su cadena codificante de ADN: $5'—ATG GCT TTT TAA—3'$. Coincide con el ARN salvo que el ADN usa $T$ donde el ARN usa $U$. La cadena opuesta de ADN es la que actúa como molde en la transcripción.

Un codón son tres bases de ARN leídas dentro de un marco de lectura definido. El marco indica dónde empezar a formar grupos de tres. Nuestro ejemplo fija el primer AUG como inicio y agrupa consecutivamente, sin saltarse letras ni solapar grupos. El código genético estándar asigna a cada grupo un aminoácido o una señal de terminación; varios codones pueden especificar el mismo aminoácido.

Elige un ejemplo o cambia una letra del ADN codificante de abajo. Una sustitución de base cambia una letra por otra sin alterar el total. El molde complementario y el ARN resultante se actualizan. Sigue una columna hacia abajo: secuencia de ADN, codón de ARN y aminoácido correspondiente. Después del primer codón de terminación, los grupos posteriores siguen en el mensaje, pero no añaden aminoácidos a esta cadena.

Un cambio sinónimo no modifica la secuencia de aminoácidos en este marco. Eso no demuestra que carezca de efectos en una célula viva: puede afectar al procesamiento, la estabilidad o la traducción del ARN. Tampoco cambiar un aminoácido demuestra por sí solo que cause una enfermedad. Este modelo solo informa del resultado de secuencia para el inicio y marco elegidos; no predice la salud de una persona.

Vuelve a la célula inicial. La cromatina morada es material de ADN y proteínas; las bases del ADN forman una secuencia, el apareamiento complementario permite copiarla y cada producto de la replicación conserva una cadena antigua. Un segmento elegido también puede transcribirse en ARN. Algunos ARN llevan información; otros actúan como adaptadores o forman parte de la maquinaria que la utiliza.

Intenta responder las preguntas y despliega sus explicaciones. Indica qué materiales hay, qué cambia y qué se conserva. El nombre de un proceso permite nombrarlo, pero todavía no explica cómo ocurre.