USOS DEL ARN

Desde luego, antes de la publicación del modelo Watson - Crick no se subestimaba la importancia del ARN, a pesar de que se sabía que no era el principal componente de los cromosomas. Por el contrario, si acaso se le daba excesivo énfasis a causa de la clara relación existente entre el ARN y la síntesis de las proteínas.

La concentración de ADN en las distintas células de un organismo determinado parece constante. Cada célula, esté o no creciendo, esté o no segregando material, tiene la misma cantidad de ADN. Ello no debe sorprendernos, ya que cada célula tiene igual equipo de cromosomas y en ellos está el ADN. En realidad, la única excepción son las células ovulares y espermáticas. Éstas tienen sólo un cromosoma de cada par, es decir, la mitad del equipo; y a nadie sorprenderá que contenga sólo la mitad del ADN que se encuentra en las células corrientes.

Por el contrario, la concentración del ARN en las distintas células de un organismo determinado varía considerablemente. Experimentos que datan de principios de los años 40 han demostrado invariablemente que la concentración de ARN es más fuerte allí donde el índice de la síntesis de proteínas es mayor. Las células en desarrollo son más ricas en ARN que las células en reposo; al fin y al cabo, una célula en desarrollo tiene que duplicar su contenido de proteínas desde el momento de su formación hasta el de su división. Cuando una parte de un tejido está creciendo y otra no, la concentración de ARN es mayor en la parte que crece.

Las células que forman secreciones ricas en proteínas —las del páncreas y el hígado, por ejemplo— tienen también un alto índice de ARN. Por otra parte, si se introducen en las inmediaciones de la célula enzimas que provocan la descomposición del ARN (sin afectar al ADN) y se destruyen las moléculas de ARN, cesa la producción de proteínas.

La suma de todas estas observaciones permite afirmar que el ARN desempeña un papel importante en la síntesis de las proteínas. Y la síntesis de las proteínas es tan necesaria para la vida que a principios de los años 50 se apuntó la sugerencia de que el ARN era la variedad fundamental y vital de la molécula de ácido nucleico.

De todos modos, esta hipótesis no prosperó. Las pruebas recopiladas han dejado bien claro que el ADN es el producto primario y el ARN, el secundario, obtenido según el modelo del ADN. Esta opinión está confirmada, además, por la circunstancia de que el ARN presente en los cromosomas representa menos del 10 por ciento del total del ácido nucleico, mientras que dentro del núcleo hay una pequeña estructura llamada nucléolo (o pequeño núcleo) que parece estar formada por completo o en su mayor parte por ARN. Así pues, parece razonable suponer que el ARN se forma continuamente en los puntos de los cromosomas en los que está el ADN y se almacena en el nucléolo.

Dado que la síntesis de las proteínas se efectúa principalmente en el citoplasma, aquí debe de estar el ARN, y aquí está. En realidad, en el citoplasma se encuentra la mayor parte del ARN celular, a pesar de que el ADN es aquí nulo. Ello significa que el ARN tiene que pasar del núcleo al citoplasma a medida que se forma. Durante estudios realizados con microscopio electrónico, se ha podido fotografiar material en el momento de salir del núcleo y ser recogido por el citoplasma, en forma de ampollas. Y estas llamadas «ampollas» contienen ARN.

Por consiguiente, el ARN recoge el código genético del ADN de los cromosomas y lleva el mensaje al citoplasma, donde supervisa la formación de proteínas. Antes, al describir la teoría genética, decía que parece que la única función de un gen determinado sea la formación de una enzima determinada. Así es, pero no hay que pensar que ello ocurre en una sola etapa. El gen determinado (ADN) forma un ARN determinado, el cual, a su vez, forma la enzima. Quizás debería llamarse la teoría ADN/ARN/cadena polipéptida.

Resulta más fácil percibir la razón de este sistema doble de ácidos nucleicos de la célula si lo comparamos con algo similar ocurrido en la tecnología humana. Hace aproximadamente un siglo y medio se implantó el sistema métrico decimal y, por primera vez, la Ciencia dispuso de un sistema de medidas realmente lógico.

Una de las unidades fundamentales del sistema métrico es el «metro», definido en un principio como la diezmillonésima parte de la distancia entre el Ecuador y el Polo Norte. Ahora bien, como resultó que no se conocía con exactitud esta distancia, se pasó a definir el metro como la distancia existente entre dos trazos marcados en una barra de platino-iridiado que se guardaba en una cámara acorazada con aire acondicionado, en un suburbio de París^[23].

La barra se llama «prototipo internacional de metro». Al adherirse al tratado que implantaba el sistema métrico a escala internacional, cada país recibía una copia del patrón llamada «prototipo nacional de metro». Cada nación, a su vez, utilizaba su prototipo nacional para normalizar los calibres que fabricaba para fines industriales, comerciales y tecnológicos.

Los prototipos nacionales se custodiaban cuidadosamente, ya que, si ocurría algún percance a los útiles de medida (o, lo que sería peor, a la maquinaria utilizada para fabricarlos), el error podía corregirse con el prototipo nacional. Y, si a éste le ocurría un percance, incluso este error podría corregirse recurriendo al prototipo internacional^[24].

Al parecer, el mecanismo de control del ácido nucleico es similar. El ADN es un «prototipo nuclear», equivalente al prototipo internacional del sistema métrico. Por lo tanto, se guarda a buen recaudo… en el núcleo, apartado del borrascoso mundo del citoplasma. Las moléculas del ARN son los «prototipos citoplásmicos», de menor importancia, equivalentes al prototipo nacional o, incluso, a las varas métricas corrientes. Éstas pueden arriesgarse en la ardua tarea de la síntesis de las proteínas.

Hasta podemos hallar una razón plausible para explicar que el ADN lleve timina donde el ARN lleva uracilo. La diferencia entre estas dos pirimidinas es mínima y se reduce a un único grupo metílico. Además, este grupo metílico está situado de manera que no interfiera en la formación de enlaces de hidrógeno con adenina (véase figura 48). En el ADN, la adenina conecta con la timina y en el ARN, con el uracilo. No parecen existir diferencias de consideración entre una y otra conexión. En realidad, cuando una molécula de ADN se reproduce, timinas conectan en las posiciones de la adenina; cuando la misma molécula de ADN produce ARN, en estas posiciones conectan uracilos. Al parecer, no existe dificultad en cambiar de unas a otros.

Puede ser (la suposición es mía) que el uracilo sirva simplemente para «identificar» al ARN. Después de todo, uno y otro ácido nucleico corren distinta suerte. El ADN permanece en los cromosomas constantemente mientras que el ARN sale, no ya de los cromosomas en los que se formó, sino del núcleo. Cualquiera que sea el mecanismo que permite salir del núcleo al ARN y mantiene en él al ADN tiene que poder distinguirlos y el factor de identificación no debe interferir con la ejecutoria del ácido nucleico. ¿Por qué no utilizar, pues, por lo menos como una parte de la operación de identificación, la carencia en el ARN de un insignificante grupo metílico que aparece periódicamente en el ADN?

EL LUGAR DE LA SÍNTESIS

Si el citoplasma es el lugar en el que el ARN sintetiza la proteína, vamos a examinarlo un momento. El citoplasma no es un fluido suave y homogéneo ni mucho menos; es un complejo sistema que contiene miles y miles de pequeños cuerpos de distintos tamaños, formas y funciones.

Los más conocidos de estos pequeños cuerpos o partículas se llaman mitocondrias (del griego «filamentos granulosos»). Las mitocondrias tienen forma alargada, su diámetro oscila entre media y una micra y su longitud puede ser de hasta siete micras (la micra es la millonésima parte del metro). En el citoplasma de una célula media puede haber hasta 2.000 mitocondrias regularmente distribuidas.

Hacia 1950 se desarrollaron sistemas para separar el núcleo de las células del citoplasma y, después, separar las distintas partículas que existen en su interior. Cuando se pudo estudiar las mitocondrias aisladas, se descubrió que son las «centrales energéticas» de la célula. Es decir, prácticamente todas las reacciones químicas que generan energía al descomponer carbohidratos o moléculas lípidas se producen en las mitocondrias, las cuales contienen todas las enzimas y coenzimas necesarias para este fin.

Durante los años 50 se trabajó más y más con microscopios electrónicos que aumentaban la imagen de las mitocondrias lo suficiente como para que los científicos pudieran apreciar que son estructuras bastante complejas. El interés por ellas creció de tal manera que las mitocondrias eclipsaron a otras partículas de la célula.

Hay partículas más pequeñas, por ejemplo, los llamados microsomas (del griego «cuerpos pequeños») cuyo tamaño es 1/10.000 del de la mitocondria. Durante un tiempo, no se les prestó atención. Incluso llegó a pensarse que no eran más que fragmentos de mitocondria, desprendidos durante la separación de las partículas.

No obstante, cierto factor rebatía esta suposición y, con el tiempo, generó cierto interés por los microsomas. Me refiero a la composición química.

Las mitocondrias contienen proteínas y ciertas sustancias grasas ricas en fósforo llamadas fosfolipidos. Estas dos sustancias componen casi todo el material de las mitocondrlas. Hay en éstas muy poco ácido nucleico; sólo el 0,5 por ciento de su sustancia es ARN.

Dado que las mitocondrias se dedican a la producción de reacciones generadoras de energía para las que no se precisa ARN, no es de extrañar que éste escasee. No obstante, el citoplasma es rico en ARN. ¿Dónde está pues, si no se encuentra en las mitocondrias?

El ARN resultó hallarse en los microsomas que, según pudo averiguarse, son ricos en ácido nucleico. En vista de ello, no parecía lógico que fueran simples fragmentos de mitocondria, elemento pobre en esta sustancia. Los microsomas tenían que ser partículas independientes, con una función independiente. Si se tenía en cuenta su contenido en ARN, ¿no serían el escenario de la síntesis de proteína?

Los experimentos confirmaron la hipótesis. Unas células a las que se suministró aminoácidos radiactivos incorporaron éstos en las cadenas polipéptidas, de manera que la proteína que se formara después en el interior de la célula tenía que resultar radiactiva. Si la célula permanecía en contacto con los aminoácidos radiactivos durante poco tiempo y en seguida se medía su radiactividad, sólo las proteínas situadas en el mismo lugar de su formación tenían que haber podido capturarla. En efecto, cuando se hizo la exploración, sólo se encontró radiactividad en la parte microsomal. Así pues, era evidente que las fábricas de proteína de la célula eran los microsomas.

El microscopio electrónico empezó entonces a enfocar los microsomas. En 1953, el bioquímico norteamericano de origen romano George E. Palade encontró unas partículas minúsculas distribuidas profusamente en la red de membranas asociada con la parte microsomal. En 1956, Palade había aislado las partículas (cada una, 1/10.000.000 del tamaño de una mitocondria y acaso no mucho mayor que un gen) y descubrió que contenían casi todo el ARN de la parte microsomal. En realidad, casi el 90 por ciento del ARN de algunas células se encuentra en estas numerosas partículas compuestas de ARN y proteína al 50 por ciento. Se les dio el nombre de ribosomas, y hacia 1960 suscitaban un vivo interés, hasta el extremo de desbancar las mitocondrias.

EL ARN EN EL LUGAR DE LA SÍNTESIS

Hacia finales de la década de los 50 los bioquímicos estaban entusiasmados con la idea de haber hallado, en los ribosomas, la clave del importante problema de la síntesis de las proteínas se creía que cada gen producía ARN por reproducción según el modelo Watson-Crick y que este ARN, después de introducirse en el citoplasma se congregaba para formar los ribosomas.

Ello significaba que cada una de las distintas enzimas de la célula tenía que estar producida por un ribosoma determinado, formado por un gen específico. No se creía que cada ribosoma controlara una enzima diferente; había demasiados ribosomas para eso. Se suponía que un número de ribosomas producía una enzima; otro grupo de ribosomas, otra enzima, y así sucesivamente.

La circunstancia de que una célula pueda producir enzimas a velocidades diferentes, según las condiciones hacía más plausible la suposición. ¿Quería esto decir que, normalmente, una célula utiliza sólo una parte de los ribosomas que tiene adjudicados, para producir una enzima determinada y que dispone de una reserva para casos de emergencia?

Por desgracia, se presentaron dificultades. A veces, una enzima se formaba a tan gran velocidad que era preciso suponer que entraban en acción un gran número de ribosomas; tantos, que parecía disparatado que semejante contingente de los ribosomas de una célula fueran asignados a una sola célula.

Pero ¿cuál podía ser la alternativa? Supongamos que, en realidad, sólo unos cuantos ribosomas intervenían en la producción de la enzima. En tal caso, la rapidez con que se formaba ésta tenía que inducirnos a suponer que cada ribosoma podía multiplicar su capacidad, alcanzando una productividad realmente increíble.

Ninguna de las dos alternativas podía prosperar.

La infestación de una célula por virus planteó otro problema. Una célula infestada sigue produciendo proteína a la misma velocidad que una célula normal, pero la proteína sufre una alteración. La penetración del virus pone fin a la formación de la proteína de la célula e inicia la fabricación de proteína vírica. Según la teoría de los ribosomas, ello significaría que cuando un virus entra en una célula sustituye los ribosomas de ésta por los suyos. Pero, si consideramos lo pequeño que es un virus, vemos que ello resulta imposible. Un virus sólo puede contener unos cuantos ribosomas; ¿cómo iban éstos a suplantar a los miles y miles que existen en la célula?

Finalmente, se suscitó la cuestión del ARN ribosomal (las moléculas de ARN que componen los ribosomas). La peculiar composición de éste, contribuyó a restar fuerza a la idea.

Y es que las moléculas de ADN varían considerablemente de una especie a otra. Hay especies que tienen moléculas de ADN ricas en adenina o pobres en guanina, en una proporción de hasta 3 a 1; otras, tienen moléculas de ADN pobres en adenina y ricas en guanina en proporción de 1 a 3.

Si el ARN ribosomal está formado por el ADN de los cromosomas forzosamente habrá de reflejar estas diferencias en los índices de su composición básica —es decir, si el modelo de reproducción de Watson-Crick es correcto—. Pero el ARN ribosomal no refleja esta variación de la proporción entre una especie y otra. En el ARN ribosomal los cuatro nucleótidos están distribuidos de forma bastante regular y así se advirtió en todas las especies de organismos estudiados.

¿Era falso el modelo Watson-Crick? ¿Sería correcta al fin y al cabo la teoría de la estructura tetranucleótida? Los bioquímicos se resistían a admitirlo. Siguieron buscando la solución y, hasta 1960, la encontraron. Al parecer, durante tres o cuatro años habían seguido un camino equivocado.

Los ribosomas son el terreno en el que se fabrica la proteína, sí; pero el elemento que realiza esta fabricación no es el ARN ribosomal. Éste no porta el código genético sino que es, simplemente, el soporte medular de los ribosomas, algo así como un «formulario en blanco» en el que puede suscribirse cualquier dato.

Entonces tiene que haber otra variedad de ARN, una variedad formada por la reproducción según el modelo Watson-Crick y que sea portadora del código genético, una variedad que se desplace del gen al ribosoma llevando el «mensaje» del primero.

Esta segunda variedad de ARN se llama, muy apropiadamente, ARN mensajero. (También se llama ARN plantilla, ya que la «plantilla» es el modelo o patrón que se utiliza para la producción de una determinada forma).

CONFECCIÓN DE LA CLAVE

En 1960 se habían reunido ya pruebas concluyentes de la existencia del ARN mensajero. En el Instituto Pasteur de París se aislaron muestras de ARN que presentaban una distribución de purinas y pirimidinas similar a la del ADN.

Esta distribución a lo ADN se observó cuando se consiguió enlazar al ARN con filamentos de ADN de las bacterias utilizadas como fuentes del ARN pero no con filamentos de ADN de bacterias de otras especies. La unión por enlaces de hidrógeno entre un filamento de ADN y un filamento de ARN (un «ácido nucleico híbrido») sólo es posible si ambos filamentos son complementarios. Es de suponer que el filamento de ARN estudiado era complementario de un filamento de ADN de una bacteria de su propia especie por estar formado por reproducción de aquel mismo filamento de ADN.

La formación de ARN mensajero a partir de ADN tiene que hacerse a gran velocidad, ya que si la célula es tocada por átomos radiactivos, éstos inmediatamente aparecen en el ARN mensajero. Poco después, los átomos radiactivos aparecen diseminados por la célula. De ello se deduce que el ARN mensajero, una vez formado, se descompone rápidamente en nucleótidos unitarios que asumen distintas funciones en la célula.

El ARN mensajero fue descubierto en las bacterias y es que un gran número de los descubrimientos contemporáneos de la «Biología Molecular» como se llama esta rama, se deben a experimentos realizados en microorganismos. De todos modos, los científicos opinan que, probablemente, tales hallazgos también pueden aplicarse a otras criaturas. Por ejemplo, en 1962 se aisló por primera vez ARN mensajero de células de mamífero. Alfred E. Mirsky y Vincent G. Allfrey, del Instituto Rockefeller, lo obtuvieron de la glándula timo de la ternera y en cantidades mucho mayores que las que proporcionan las bacterias.

He aquí la situación actual:

1. El ADN de un gen determinado fabrica una molécula de ARN mensajero mediante reproducción Watson-Crick. El ARN mensajero posee un complemento del orden de los nucleótidos del ADN (salvo que hay uracilo en todos los lugares en los que en el ADN hay timina). El ARN mensajero, compuesto quizá por hasta 1.500 nucleótidos, porta así el código genético del gen que lo ha creado.

2. La molécula de ARN mensajero penetra en el citoplasma y se engancha a un ribosoma libre. El «formulario en blanco» del ARN ribosomal, rellenado ahora con el mensaje del ARN mensajero, ya está preparado para producir una proteína específica. (A mí me parece que, al engancharse, el ARN mensajero tiene que dejar a sus purinas y pirimidinas en libertad de formar enlaces de hidrógeno durante el proceso de fabricación de la proteína, proceso que se describe en el capítulo siguiente. Yo creo, por lo tanto, que el ARN mensajero puede unirse al ARN ribosomal por su parte posterior; es decir, formando enlaces de hidrógeno con el grupo hidroxilo de las unidades de ribosa situadas en la cadena de ARN ribosomaL Quizá por ello el ARN tiene ribosa en lugar de desoxirribosa. La desoxirribosa y, por lo tanto, el ADN carecen de ese hidroxilo libre a que nos referíamos en el capítulo VII y quizás el ARN fue «inventado» sólo en función de este hidroxilo extra. Sólo así, es de suponer, puede actuar de mensajero).

3. Después de haberse formado unas cuantas moléculas de proteína (o quizás, incluso, después de haberse formado una sola molécula), el ARN mensajero se descompone dejando al ribosoma una vez más en blanco, preparado para configurar la clave de otra proteína que puede ser igual a la anterior o diferente.

Todo el proceso dura de dos a tres minutos a lo sumo, lo cual resulta sorprendente si se considera que, durante el mismo, hay que colocar con precisión a cientos de nucleótidos para formar el ARN mensajero y, después, a muchos cientos de aminoácidos, para formar la proteína. Por otra parte, tal vez les resulte asombrosa la idea de que hagan falta varios minutos para formar una sola molécula de proteína cuando a cada momento se necesitan tantas. Pero pueden consolarse pensando que existen millones de ribosomas en cada Célula y que, entre todos, producen millones de moléculas de proteína en esos minutos. El factor del ARN mensajero elimina las dificultades que; acosaban a los bioquímicos cuando estudiaban los ribosomas aisladamente.

En primer lugar, ya no es necesario creer que cada célula tenga ribosomas especiales para cada molécula de proteína diferente que tenga que sintetizar. Como hemos visto, los ribosomas pueden considerarse como simples formularios en blanco en los que cualquier molécula de ARN puede inscribir momentáneamente su fórmula. Por lo tanto, aquí no importa la estructura purina/pirimidina del ARN ribosomal.

Por otra parte, esto significa que la velocidad de la síntesis de las enzima puede variar en cada caso, según la velocidad a que Se formen las diferentes moléculas de ARN mensajero, éstas se apropiarán del número correspondiente de «formularios» de ribosomas y fabricarán enzimas a gran velocidad. Cuando la necesidad haya pasado, el ARN mensajero se disolverá rápidamente, dejando los formularios otra vez en blanco, Preparados para otra operación.

Estos hallazgos han contribuido también a aclarar un poco el misterio de la infección por virus y la síntesis de las proteínas. El virus no tiene que producir sus propios ribosomas, sino que se sirve de los ribosomas de las bacterias. (Los experimentos realizados en 1960 con átomos radiactivos demostraron claramente que de una infección vírica no se formaban nuevos ribosomas). Lo que hace el virus es, de algún modo, suspender la formación de ARN mensajero por el ADN bacteriano. El ARN mensajero ya formado por las bacterias se descompone con su habitual rapidez, liberando así a los ribosomas que pueden ser ocupados por el ARN mensajero fabricado por el virus.

La síntesis de proteína se efectúa a la misma velocidad antes y después de la infección, dado que todos los ribosomas están en activo; Sólo que ahora están ocupados por ARN mensajero vírico en lugar de ARN mensajero bacteriano.

Desde luego, todo ello deja aún muchos problemas que han de mantener ocupados a los bioquímicos. ¿Cómo «sabe» una determinada molécula de ADN cuándo debe producir una gran cantidad de ARN mensajero y cuándo ha de fabricar sólo uno? Al parecer, el ADN debe recibir información sobre el estado de su Célula en todo momento.

Si la célula está escasa de un componente que necesita, las moléculas de ADN que rigen las enzimas precisas para la formación de ese ingrediente son estimuladas de algún modo para producir mayor cantidad de su ARN mensajero. En consecuencia, se producen más enzimas en mayor cantidad del ingrediente necesario. Si, por el contrario, una célula tiene excedente de alguno de los componentes, la actividad de las moléculas de ADN correspondiente se detiene.

Éste es un sorprendente ejemplo de feedback, es decir, reenvío de los efectos de un proceso a una fase precedente para ser modificados o reforzados. Evidentemente, la célula es un extenso y complicado sistema que comporta multitud de variantes del feedback. No será tarea fácil dilucidar los detalles de la acción recíproca entre ADN, ARN, enzimas y productos de la catalización por enzimas. De todos modos, los bioquímicos atacan el problema con un afán que yo calificaría de voraz, y existe la esperanza de que, poco a poco, estas dificultades vayan cediendo ante la acometida.