Máquinas vivientes: ¿Cómo se mueven las células?
Por Isaura Meza y Eugenio Frixione
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- Calificación: 5 de 5 estrellas5/5Explica los procesos biológicos de una forma didáctica y general, de ésa forma se puede formar un esquema mental resumido de cómo funciona un ser vivo a nivel biológico y químico, que factores son los principales a nivel funcional y estructural.
Felicidades por el esfuerzo que se ha puesto en ésta obra, por el interés que tienen en que el lector pueda comprender los conceptos esenciales, aunque este no sea un experto en el tema.
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Máquinas vivientes - Isaura Meza
1993
I. Instrucciones para la fabricación de partes: la molécula del ADN
El movimiento de las células, igual que sus demás funciones, es como el de una maquinaria integrada por muchas piezas que deben funcionar con precisión. A diferencia de las máquinas construidas por el hombre, la célula tiene que fabricar todas y cada una de sus partes y ensamblarlas después en un conjunto funcional. En gran medida el ensamblaje de las partes procede de manera automática gracias a que las piezas tienen formas definidas y complementarias que encajan unas con otras como en un rompecabezas. Por consiguiente, la funcionalidad del conjunto depende de la precisión en la fabricación de las partes, lo cual asegura el engranaje perfecto. La célula cuenta con los planos o instrucciones para fabricar estas piezas en un código almacenado en las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN), el cual se encuentra contenido dentro del núcleo en la mayoría de las células. Estas instrucciones son muy importantes y necesarias para el correcto funcionamiento de cada ser vivo, por lo que deben preservarse cuidadosamente y ser transmitidas de generación en generación, ya que constituyen el material genético.
Una molécula de ADN tiene una estructura helicoidal, parecida a una escalera de caracol que gira hacia la derecha y en la que los escalones están formados por un par de moléculas planas unidas entre sí por puentes angostos, llamados puentes de hidrógeno, y unidas a la vez, como los eslabones de una cadena, a las moléculas que forman los escalones contiguos a través de uniones químicas covalentes denominadas enlaces fosfodiester. Las moléculas planas de los escalones son bases nitrogenadas de cuatro variedades, adenina, guanina, citosina y timina y se representan como A, G, C y T. Debido a sus formas y dimensiones particulares cada base del par, o sea un medio escalón, sólo puede hacer pareja con otra base especial para completar el escalón. Así tenemos que A se aparea solamente con T, y G solamente con C, lo que da como resultado que las bases de un escalón sean siempre complementarias. Los escalones son distintos entre sí y pueden estar ordenados en una gran diversidad de secuencias, tantas como las combinaciones posibles en el alfabeto que maneja la célula, que es de cuatro letras, A, T, G, C. La conexión, entre las bases de una misma cadena se hace por enlaces que se establecen entre las moléculas del azúcar desoxirribosa que acompaña cada una de las bases y grupos fosfato asociados a los oxidrilos de las desoxirribosas (Figura I.1).
Al conjunto que forman una base, su azúcar y uno o más fosfatos se le llama un nucleótido. Será un nucleótido monofosfato si tiene un fosfato, nucleótido difosfato si tiene dos, etc. En la molécula del ADN un fosfato une a dos nucleótidos formando el enlace fosfodiester (Figura I.2). Una secuencia definida de pares de bases constituye lo que se llama un gen, la variabilidad en la secuencia de bases forma el código genético. En los genes de un organismo está la información precisa, que al ser descifrada permite construir las piezas necesarias para que funcionen las diferentes máquinas que en su conjunto forman una célula. El núcleo de pares de bases y de genes en un organismo puede ser muy variable. El ADN de un virus tiene alrededor de 5 000 pares de bases, mientras que el ADN humano 4 500 millones.
En 1953, James Watson y Francis Crick, trabajando juntos en Inglaterra y basándose en estudios de otros investigadores, como Linus Pauling, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins, concibieron un modelo de la estructura del ADN que reunía todos los requisitos de una molécula autorreplicable. Este modelo es conocido como el modelo de la doble hélice y corresponde a la forma como se ha comprobado experimentalmente que se arreglan estas moléculas (Figura I.3). Este modelo tuvo gran repercusión sobre todo el pensamiento biológico del momento, ya que la estructura propuesta contiene dentro de sí misma todos los elementos que le permiten, por un lado, almacenar la información genética y transmitirla y, por el otro, duplicarla, asegurando que la información almacenada pase a otras generaciones, con lo cual cumple con los requisitos para ser un almacén de información tan importante.
Una molécula de ADN que contiene miles de pares de bases puede tener longitudes macroscópicas, es decir, que se podrían medir con una regla y hasta con un metro. El ADN de la bacteria Escherichia coli, por ejemplo, tendría 1 mm de longitud, o sea 1 000 veces más largo que la longitud total de la bacteria. Para caber dentro de esta célula el ADN tiene que ser compactado, como sucedería al rehacerse un ovillo de estambre que se ha desmadejado. En los organismos eucariontes, llamados así porque sus células contienen un núcleo, el ADN no está en el citoplasma, como en las bacterias, sino dentro del núcleo, el cual a su vez está contenido dentro de la célula y por consiguiente es muy pequeño. En este caso la molécula de ADN, cuya longitud es mayor que el ADN de las bacterias, tiene que compactarse muchísimo y esto se logra enredándose sobre otras moléculas, que son las proteínas llamadas histonas. Se forma así la unidad básica de las estructuras conocidas como cromosomas y de las cuales todos los organismos mantienen un número constante. La longitud del ADN cuando se empaca en un núcleo se reduce de 1.5 m para formar cromosomas cuya longitud promedio es de 1 x 10–6m (Figura I.4).
Independientemente de la forma en que el ADN se compacte, la información genética está siempre contenida en la estructura primaria de la doble hélice. Al ser complementarios todos los pares de bases, la clave escrita en la secuencia de bases en una de las cadenas de la hélice, correspondiente a la mitad de los escalones, será el molde de la otra mitad. Una analogía a esta situación sería lo que es el positivo y el negativo en una película fotográfica, que tienen la misma imagen pero complementaria. La clave se puede ir descifrando en cualquiera de las dos cadenas pero leyéndola en sentidos opuestos, como puede verse en la Figura I.1. Por esta razón se dice que una molécula de ADN tiene polaridad. Cada cadena tiene entonces un extremo 5´ y uno 3´ en lados opuestos. Por la polaridad y complementaridad del arreglo de las bases siempre se puede reconstruir un medio escalón, ya que se sabe qué base se necesita para completarlo, y si se daña una de las cadenas, ya sea en su totalidad o solamente en un fragmento, este daño podrá repararse copiando de la cadena intacta (que será el molde) la secuencia dañada. Esta reparación restituye así la información completa.
Ya que la información genética tiene que transmitirse de generación en generación, las moléculas del ADN deben duplicarse muchas veces, tantas como una célula se divida para formar dos nuevas células y debe hacerlo con alta fidelidad. ¿Cómo puede entonces duplicarse una molécula tan grande y compleja? La replicación del ADN requiere a su vez de la duplicación de cada una de las cadenas por separado, lo cual se puede hacer si en principio las dos cadenas de la hélice se separan (Figura I.5). Abrir todos los puentes que unen a los pares de bases de cada escalón requiere gran cantidad de energía, esto y la formación o síntesis de las nuevas cadenas necesita la participación de otras moléculas que proporcionen la energía, y que como ayudantes mantengan abiertas a las cadenas maternas para que los nucleótidos puedan ser adicionados a las cadenas nuevas. Estas moléculas ayudantes son las proteínas llamadas enzimas, las cuales pueden actuar como catalizadores de reacciones químicas. Se unen a las moléculas que participan en la reacción, llamadas substrato, aumentando su concentración local en el sitio en donde se llevará a cabo la reacción y manteniendo la orientación correcta de los grupos químicos reaccionantes. Además, al unirse al substrato, la energía derivada de esta unión contribuye a la catálisis. Al final de la reacción la enzima se desprende del substrato ya modificado, quedando lista para actuar de nuevo. El proceso de replicación de una molécula del ADN demanda alta fidelidad y podría dividirse en tres grandes etapas. La primera es la selección del nucleótido que se va a incorporar a la molécula nueva y el desenrollamiento de las cadenas en el sitio en donde va a empezar la replicación y se incorporan los nucleótidos seleccionados. Una vez incorporado un nucleótido a la nueva cadena, hay que asegurarse que es el correcto, es decir, el complementario a la base o letra que se está leyendo en la cadena que sirve de molde. Un error en esta parte implica que el nucleótido tendrá que ser eliminado, pues de lo