Sólo cuando se descubrió la estructura del ADN a principios de la década de 1950 quedó claro cómo se codifica la información hereditaria de las células en la secuencia de nucleótidos del ADN. El progreso desde entonces ha sido asombroso. Cincuenta años después, disponemos de secuencias genómicas completas de muchos organismos, incluido el ser humano, y por tanto conocemos la cantidad máxima de información que se necesita para producir un organismo complejo como nosotros. Los límites de la información hereditaria necesaria para la vida restringen las características bioquímicas y estructurales de las células y dejan claro que la biología no es infinitamente compleja.

En este capítulo explicamos cómo las células descodifican y utilizan la información de sus genomas. Veremos que se ha aprendido mucho sobre cómo las instrucciones genéticas escritas en un alfabeto de sólo cuatro «letras» -los cuatro nucleótidos diferentes del ADN- dirigen la formación de una bacteria, una mosca de la fruta o un ser humano. Sin embargo, aún nos queda mucho por descubrir sobre cómo la información almacenada en el genoma de un organismo produce incluso la más simple bacteria unicelular con 500 genes, por no hablar de cómo dirige el desarrollo de un ser humano con aproximadamente 30.000 genes. Queda una enorme cantidad de desconocimiento; por lo tanto, a la próxima generación de biólogos celulares le esperan muchos retos fascinantes.

Los problemas a los que se enfrentan las células para descodificar los genomas pueden apreciarse considerando una pequeña porción del genoma de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster (Figura 6-1). Gran parte de la información codificada en el ADN presente en este y otros genomas se utiliza para especificar el orden lineal -la secuencia- de los aminoácidos de cada proteína que fabrica el organismo. Como se describe en el capítulo 3, la secuencia de aminoácidos dicta a su vez cómo se pliega cada proteína para dar lugar a una molécula con una forma y una química distintivas. Por tanto, cuando la célula fabrica una proteína concreta, la región correspondiente del genoma debe descodificarse con precisión. La información adicional codificada en el ADN del genoma especifica exactamente en qué momento de la vida de un organismo y en qué tipos de células debe expresarse cada gen en proteína. Dado que las proteínas son los principales constituyentes de las células, la decodificación del genoma determina no sólo el tamaño, la forma, las propiedades bioquímicas y el comportamiento de las células, sino también los rasgos distintivos de cada especie en la Tierra.

Figura 6-1

Representación esquemática de una porción del cromosoma 2 del genoma de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster. . Esta figura representa aproximadamente el 3% del genoma total de Drosophila, dispuesto como seis segmentos contiguos. Como se resume en la clave, la simbólica (más…)

Se podría haber predicho que la información presente en los genomas estaría dispuesta de forma ordenada, asemejándose a un diccionario o a una guía telefónica. Aunque los genomas de algunas bacterias parecen bastante bien organizados, los genomas de la mayoría de los organismos multicelulares, como nuestro ejemplo de Drosophila, son sorprendentemente desordenados. Los pequeños fragmentos de ADN codificante (es decir, el que codifica las proteínas) están intercalados con grandes bloques de ADN aparentemente sin sentido. Algunas secciones del genoma contienen muchos genes y otras carecen de ellos. Las proteínas que trabajan estrechamente entre sí en la célula suelen tener sus genes situados en cromosomas diferentes, y los genes adyacentes suelen codificar proteínas que tienen poco que ver entre sí en la célula. Por lo tanto, descifrar los genomas no es una cuestión sencilla. Incluso con la ayuda de potentes ordenadores, sigue siendo difícil para los investigadores localizar definitivamente el principio y el final de los genes en las secuencias de ADN de genomas complejos, y mucho menos predecir cuándo se expresa cada gen en la vida del organismo. Aunque se conoce la secuencia de ADN del genoma humano, es probable que se tarde al menos una década en identificar cada gen y determinar la secuencia exacta de aminoácidos de la proteína que produce. Sin embargo, las células de nuestro cuerpo lo hacen miles de veces por segundo.

El ADN de los genomas no dirige la síntesis de proteínas por sí mismo, sino que utiliza el ARN como molécula intermediaria. Cuando la célula necesita una proteína concreta, la secuencia de nucleótidos de la parte apropiada de la inmensamente larga molécula de ADN de un cromosoma se copia primero en ARN (un proceso llamado transcripción). Son estas copias de ARN de segmentos del ADN las que se utilizan directamente como plantillas para dirigir la síntesis de la proteína (un proceso llamado traducción). El flujo de información genética en las células va, por tanto, del ADN al ARN y a la proteína (Figura 6-2). Todas las células, desde las bacterias hasta los seres humanos, expresan su información genética de este modo, un principio tan fundamental que se denomina el dogma central de la biología molecular.

Figura 6-2

La vía del ADN a la proteína. El flujo de información genética del ADN al ARN (transcripción) y del ARN a la proteína (traducción) ocurre en todas las células vivas.

A pesar de la universalidad del dogma central, hay variaciones importantes en la forma en que la información fluye del ADN a la proteína. La principal es que los transcritos de ARN en las células eucariotas se someten a una serie de pasos de procesamiento en el núcleo, incluido el empalme del ARN, antes de que se les permita salir del núcleo y traducirse en proteínas. Estos pasos de procesamiento pueden cambiar críticamente el «significado» de una molécula de ARN y, por lo tanto, son cruciales para entender cómo las células eucariotas leen el genoma. Por último, aunque en este capítulo nos centramos en la producción de las proteínas codificadas por el genoma, vemos que para algunos genes el ARN es el producto final. Al igual que las proteínas, muchos de estos ARN se pliegan en estructuras tridimensionales precisas que tienen funciones estructurales y catalíticas en la célula.

Empezamos este capítulo con el primer paso en la descodificación de un genoma: el proceso de transcripción por el que se produce una molécula de ARN a partir del ADN de un gen. A continuación, seguiremos el destino de esta molécula de ARN a través de la célula, terminando cuando se haya formado una molécula de proteína correctamente plegada. Al final del capítulo, consideramos cómo el esquema actual, bastante complejo, de almacenamiento de información, transcripción y traducción podría haber surgido de sistemas más simples en las primeras etapas de la evolución celular.