Los fundamentos de la vida

Apuntes básicos sobre los principios de la vida

ÁTOMOS Y MOLÉCULAS

Este artículo se propone repasar algunos conceptos básicos para entender de manera somera que son el ADN y el ARN y otros tópicos asociados a la vida de manera coloquial y sencilla, sin abusar de tecnicismos, y lo haremos desde el principio, recordando algunos conceptos muy básicos de la composición de la materia hasta llegar a los organismos vivos como nosotros.

La materia está compuesta por átomos. Estos átomos están compuestos por partículas llamadas neutrones y protones, que están en el centro de los átomos formando un núcleo alrededor del cual giran los electrones. Se conocen hasta 118 elementos que son combinaciones de estas tres partículas básicas. Cada elemento se distingue de los demás por la cantidad de protones que tiene su núcleo. El más sencillo es el hidrógeno, cuyo núcleo sólo contiene un protón alrededor del cual gira un solo electrón. Le sigue el helio, con un núcleo en el que hay dos protones, y así sucesivamente.

Los átomos se combinan entre sí formando moléculas. Por ejemplo el agua está compuesta de moléculas formadas a su vez por dos átomos de oxígeno (abreviado por la letra O), que se han unido a uno de hidrógeno (H). Por eso la molécula de agua se representa con la fórmula H2O, que indica que es un compuesto de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

La forma de vida más básica la representa la célula. Una célula es el ser vivo más sencillo. Nosotros estamos compuestos por una infinidad de ellas, lo que nos convierte en seres pluricelulares. Pero cada célula es una vida, y muchos seres, los llamados unicelulares, son simplemente una célula. Por ejemplo, son seres unicelulares las bacterias, los paramecios, las amebas,…

Algunos de los elementos que intervienen en la composición química de las células son Carbono (C), Hidrógeno (H), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Fósforo (P). Estos elementos, dentro de las células, se combinan para formar moléculas, que a su vez se agrupan en cadenas compuestas por muchas moléculas que se unen entre sí y que resumimos a continuación, lo que conforma la materia de estudio de la Biología Molecular.

CADENAS BIOMOLECULARES

Proteinas. Son las cadenas más numerosas en los seres vivos. Hay muchos tipos de proteínas. Las cadenas de proteínas se componen de largas secuencias de moléculas, cientos de ellas, llamadas aminoácidos. En la materia orgánica intervienen 20 tipos diferentes de aminoácidos, que podemos comparar con las letras de un alfabeto. Las secuencias de estas letras forman palabras que podemos comparar con los diferentes tipos de proteínas que encontramos en un ser vivo. Cada especie genera un conjunto de proteinas diferentes a las del resto de las especies. Cumplen muchas funciones:

• Algunas son las que se ocupan de dar forma a tendones, músculos, huesos, cartílagos, pelo, uñas, piel. Otras transportan el oxígeno a las células (la hemoglobina), otras controlan las hormonas y el metabolismo, otras se encargan de la defensa del organismo y son las responsables de la coagulación de la sangre ante una herida, o actúan como anticuerpos contra elementos patógenos que causan enfermedades.
• Un tipo muy importante de ellas son las enzimas o biocatalizadores. Se encargan de acelerar las reacciones químicas y metabólicas que ocurren en el organismo. Más adelante hablaremos de ellas.

Hidratos de carbono o Carbohidratos. También llamados glúcidos. Compuestos formados por Oxígeno, Hidrógeno y Carbono. Algunos de ellos sirven para crear estructuras, como la queratina de los insectos; y otros sirven para almacenar energía.

Lípidos. Compuestos insolubles en agua. Algunos por ejemplo forman parte de la membrana de las células que las aíslan del exterior.

Ácidos nucleicos. Se encuentran en el núcleo de las células, aunque hay células sin núcleo definido (procariotas) y en ellas también están presentes. Estos ácidos nucleicos son largas cadenas formadas por moléculas que actúan como eslabones que se unen entre sí para formar dichas cadenas, a veces tremendamente largas. Son los famosos ADN y ARN, de los que nos vamos a ocupar a continuación.

EL ADN

ADN son las siglas de Ácido Dexosirribonucléico. Las cadenas de ADN están presentes en todos los seres vivos y en algunos virus. Y habrá quien se pregunte entonces ¿no son seres vivos los virus? Pues el hecho es que todavía se discute si los virus pueden ser incluidos en la categoría de los seres vivos, puesto que, como veremos más adelante, son incapaces de reproducirse por sí mismos.

Las cadenas de ADN son las responsables de nuestras características genéticas y la herencia que dejamos a nuestra descendencia. Son como enormes bases de datos, una gigantesca biblioteca de instrucciones donde el organismo encuentra la información para generar las proteínas que necesita para generarse y mantenerse  y para elaborar ARN. Sin ellas es imposible para el organimo fabricar las proteinas que lo componen.

Las cadenas de ADN son las más largas de las cadenas moleculares, y están compuestas de sólo cuatro tipos de moléculas llamadas nucleótidos. Estas cuatro pequeñas moléculas conforman como una especie de alfabeto de cuatro vidas, el alfabeto de la vida.

Se les suele representar por una letra, la inicial de su nombre: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G).

Cada una de ellas contiene una parte que se compone de una base compuesta sobre todo de fósforo, común a todas ellas, y otra base basada en átomos de nitrógeno, diferente en cada una de ellas. La adenina se combina sólo con la timina, y la citosina sólo con la guanina. Estas moléculas se unen en larguísimas cadenas formando lo que podríamos llamar palabras, siguiendo un símil con el lenguaje humano.

A lo largo de este texto utilizaremos dibujos para tratar de representar de forma figurada los conceptos que estamos utilizando. Representaremos a los nucleotidos de la siguiente manera:

En cada una de estas cuatro representaciones la parte vertical representa la parte de fósforo común a las cuatro. Los trazos verticales representan la base formada por átomos de nitrógeno, que es lo que las diferencia. Obsérvese como la adenina y la timina por un lado, y la citosina y la guanina por otro, encajan entre sí en nuestra representación.

Pues bien, la estructura del ADN semeja, en una primera aproximación, a una escalera en la que los travesaños son pares de nucleótidos acoplados ente sí, y los largueros, los brazos de la escalera, lo componen las partes de fósforo de los nucleótidos unidos entre sí:

Cada larguero puede leerse como una secuencia de letras. Arriba: T-C-G-G-A-T-G-A. Y abajo: A-G-C-C-T-A-C-T. La escalera es enorme y tiene muchísimos, muchísimos más peldaños. Vista desde lejos nos parecería un hilo de una enorme longitud. Y en realidad esta escalera está retorcida en forma de una hélice doble, como en la siguiente imagen.

Decíamos antes que las secuencias de nucléotidos son como letras juntas que a su vez forman palabras. Pues bien puede decirse que el ADN está dividido en secciones que pueden compararse a las palabras en un texto mayor. Uno de los tramos de la escalera tiene la información necesaria para sintetizar proteinas, el otro sólo sirve para que la doble hélice, tras irse separando y abriéndose como una cremallera, pueda replicarse para crear una cadena doble idéntica a la primera. Cada una de estas secciones, cada una de estas "palabras" en el brazo de la escalera que lleva la información es lo que se denomina un gen. Cada gen tiene la información suficiente como para crear, a partir de la información que contiene en sí mismo una proteina específica, o una secuencia de ARN. El estudio de los genes y de como se transmiten es el campo de estudio de la Genética.

Las cadenas de ADN de una célula se almacenan, enrolladas, en unas estructuras, que generalmente tienen forma de 'X' llamadas cromosomas. En las células con núcleo los cromosomas están en dicho núcleo. Al conjunto de todos los genes que componen el ADN de una célula, almacenado en diferentes cromosomas se le denomina genoma. El genoma es por tanto el conjunto de todos los genes contenidos en dicha célula. Los individuos de cada especie tienen el mismo número de cromosomas en cada una de sus células, exceptuando las sexuales. Por ejemplo, todos los gatos tienen 38, mientras que los seres humanos tenemos 46.

Todos los individuos de una especie, como nosotros, los seres humanos, comparten el mismo ADN, salvo por detalles mínimos que son los que hacen que cada individuo de la especie tenga rasgos diferentes. El ADN es información, y lo hemos comparado como un texto largo compuesto de palabras en un lenguaje de cuatro letras. Pues bien, si comparamos el ADN con un libro los individuos de la misma especie son copias del mismo libro, pero con pequeñas alteraciones, aquí y allá, de algunas palabras del texto.

EL ARN

El ARN, siglas de Ácido Ribonucléico, se genera a partir de algunos genes dentro del ADN que se encargan de esta labor. Este proceso se llama transcripción. El ARN resultante es una cadena simple, no doble, y mucho más corta que la del ADN que contiene la información para crear las proteínas, que entre otras cosas son las que le dan su aspecto y características al individuo. El ADN de cada especie se compondrá de tantos genes como poteinas diferentes necesite un organismo de esa especie. Así, una bacteria está compuesta por 200 tipos de proteínas; de modo que su ADN contiene 200 genes para poder crearlas. En cambio un ser humano contiene en su cuerpo una variedad de proteinas mucho mayor, de hasta 200000 tipos diferentes, de modo que el ADN de un ser humano está compuesto por 200000 genes.

Veamos como se crean las proteinas. La información para elaborar cada proteina está, como hemos visto, en los genes, las secuencias que componen el ARN. Cuando hay que crear una proteina, a partir del gen correspondiente del ADN, y gracias a una enzima, se fabrica una copia de dicho gen, resultando una cadena más pequeña.

Esa cadena es el ARN, una cadena que no es sino una copia de un gen de ADN compuesto por los mismos nucleótidos salvo la guanina (G) que es sustituido por otra molécula muy parecida llamada uracilo (U). El ARN por tanto es una cadena compuesta mediante un alfabeto de cuatro "letras", de cuatro nucleótidos, pero más pequeña que el ADN, ya que equivale a un fragmento de éste, a u gen.

A este tipo de ARN se le llama mensajero (ARNm), ya que es enviado desde el núcleo de la célula a unos orgánulos de la misma llamados ribosomas. La labor del ribosoma es tomar el código basado en un alfabeto de cuatro "letras" (los nucleótidos) del ARN mensajero, "leerlo", y traducirlo al lenguaje de las proteinas, que se basa en veinte "letras" (los veinte aminoácidos que componen las proteinas). Cada tres nucleótidos en la secuencia del ARN, cada tres "letras", equivalen a un aminoácido en concreto. Por ejemplo la secuencia de letras GCU, corresponde al aminoácido conocido como alanina. A cada uno de estos grupos de tres en un segmento de ARN se le llama codón..

En ese proceso de traducción, como también se conoce a la síntesis de proteinas, hay piezas de un ARN especial llamado ARN de transferencia (ARNt), que se dedican a transportar los aminoácidos necesarios al ribosoma, los cuales se van uniendo según la lectura que el ribosoma va haciendo del ARN mensajero hasta que la cadena de la proteina esté completamene terminada.

LA DUPLICACIÓN DEL ADN

Si la información de los genes está sólo en uno de los brazos de la "ecalera" del ADN ¿para qué sirve el otro? ¿por qué formar una espiral doble? Pues por una buena razón. Eso permite al ADN hacer copias idénticas de sí mismo. Cuando una célula se divide para crear otra célula semejante a ella, se crean copias exactas de cada cadena de ADN que había en la célula que comenzó a dividirse. De este modo la nueva célula tenga su propia dotación de ADN idéntica a la de la célula original.

La duplicación del ADN se realiza del siguiente modo. Primero, la escalera se rompe por un extremo y se separa parcialmente, como una cremallera que va abriéndose y separando las dos partes según se desplaza. Mientras esto ocuure los nucleótidos (las cuatro "letras" que componen el ADN) de cada parte se recombinan con el nucleótido que les corresponde. Recordemos; la adenina se combina sólo con la timina, y la citosina sólo con la guanina. Según se va rompiendo la doble cadena por un lado, se va reconstruyendo en los dos filamentos que se han separado, de modo que cuando acaba el proceso tendremos dos cadenas de ADN idénticas a la cadena inicial.

CAMBIOS GENÉTICOS:MUTACIONES

Si el ADN se replica de forma perfecta, y cada individuo resultante de la división celular es idéntico ¿por qué entonces las especies cambian? Porque el ADN puede sufrir cambios. Las radiaciones naturales, como los rayos X o la luz ultravioleta pueden, de manera fortuita, alterar uno o más nucleótidos de la cadena de ADN en el interior de una célula. Esa alteración o mutación, convertirá al nucleótido afectado en otro difrente, otro de los otros tres o incluso puede convertirse en un compuesto nuevo diferente de los cuatro conocidos, o desaparecer de la cadena. Ciertas encimas detectan estos errores y los reparan, pero no siempre pueden hacerlo y el cambio se hace permanente. La célula alterada de este modo, al duplicar su ADN durante la división celular, transmitirá este error, y así se irá transmitiendo a las generaciones sucesivas. En la actualidad las radiaciones producidas por el hombre y algunos compuestos químicos artificiales también pueden producir mutaciones.

Hemos calificado este cambio de error. Y la mayoría de las veces el cambio supone una desventaja; pero en otras, por el contrario, favorece a las células mutadas. Ocurre del mismo modo en los demás seres vivos. Los especímenes mutados, cuando la mutación es una desventaja acaban desapareciendo por la selección natural, pero a veces este cambio fortuito en el ADN provoca cambios en algunos individuos de la especie que les dan más oportunidades en su medio.

Por ejemplo, en Birmingham, Inglaterra, ha existido siempre una especie de polillas nocturnas de color blanco que se posaban sobre la corteza clara de los abedules. Una mutación que hubiera dado lugar a un individuo más oscuro, le habría puesto en desventaja a él y a su descendencia, ya que habrían resultado más visibles para sus depredadoes. Cuando Birmingham entró en la Era Industrial sufrió un crecimiento industrial considerable y el hollín procedente de los resíduos de la industria oscureció la corteza de los árboles. Debido a aquello las polillas eran más visibles para los pájaros y su población comenzó a descender. Pero en algún momento un individuo sufrió una mutación que le hizo más oscuro. Ahora sus congéneres de color más claro estaban en desventaja, y las del individuo mutado y su descendencia tenían más posibilidades de sobrevivir. El resultado fue que la población de polillas blancas descendió mientras que las polillas negras fueron en aumento.

En el caso de los organismos pluricelulares, como nosotros, una mutación en una célula cualquiera del cuerpo no afectará a la especie, pero si la célula afectada es un espermatozoide o un óvulo, los hijos de la persona afectada por la mutación, heredarán dicha mutación y se transmitirá a las generaciones venideras. El color azul, por ejemplo, que presentan muchos indivíduos de la especie humana se debe a una mutación en los genes que controlan la coloración del iris, una mutación que se produjo en algún indivíduo que vivió en el noroeste del Mar Negro hace 10000 a 6000 años.

CAMBIOS GENÉTICOS: SEXO

En las especies que se reproduce por sexo, el ADN del padre y de la madre se recombina, de modo que el hijo hereda características de uno y de otro y al mismo tiempo es un individuo claramente diferenciado de ambos. Recordemos que las cadenas de ADN de un ser vivo se almacenan en orgánulos celulares llamados cromosomas, que generalmente presentan forma de "X". Recordemos también que todas las células de los seres humanos contienen 46 cromosomas. Estos cromosomas se presentan agrupados por pares. Uno de estos 23 pares determina el sexo del individuo. En el hombre ese par lo compone un par compuesto por un cromosoma en forma de "X" y otro que, saltándose la regla, tiene forma de "Y". En las mujeres ese par que determina su género lo componen dos cromosomas con forma de "X".

En los espermatozoides, igual que en los óvulos, en lugar de haber 23 pares de cromosomas, hay 23 cromosomas. Las células sexuales son por lo tanto una excepción a la regla de los 46. Mientras que todas las células de un ser humano tienen 46 cromosomas, las sexuales sólo tienen 23. Cuando un espermatozoide fecunda a un óvulo se crea una célula nueva llamada cigoto que suma los 23 cromosomas del padre a los 23 de la madre. El cigoto comenzará a dividirse, y las células resultantes tendrán como él una dotación completa de 46 cromosomas. Las células procedentes del cigoto se irán dividiendo continuamente y creciendo en el seno materno hasta configurar un individuo nuevo, que tendrá una mezcla del ADN del padre y de la madre.

VÍNCULOS DE INTERÉS

• Este artículos es una buena introducción para otro artículo en el que explicamos, que son los virus.

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