El ADN.

Galaxias, caracoles, ADN, telas de araña, disposiciones de semillas, huracanes, estructuras de proteínas… todos tienen forma de espiral. ¿Por qué la encontramos tan frecuentemente en la naturaleza, y en tantas escalas y tamaños?.

Para algunos científicos, existen algunas formas que son más eficaces para responder a ciertas necesidades, o para cumplir tareas específicas. La espiral podría ser la forma más eficaz para agrupar material, sin desordenarse por el espacio. Tal vez por eso la molécula de ADN se envuelve sobre sí misma, guardando toda la información necesaria para la vida.

Mario Rosemblatt Silber , Bioquímico
Ph. D., Wayne State University, Estados Unidos
Director Ejecutivo
Fundación Ciencia para la Vida

 

Formas preferidas de la naturaleza

La formas que poseen simetría espiral aparecen en cada nivel anatómico a través de los nueve (o más) ordenes de magnitud que generan el rango de tallas entre los grandes organismos y las moléculas que los conforman. Ellos proveen la solución a cualquier número de cambios de crecimiento y forma, estructura y función que la evolución requiera. En efecto, estas formas son tan recurrentes y tan virtuosas que muchos científicos postulan que son las formas que proveen un principio estructural unificante para la vida.

Esta sección explora estas formas con una visión de ideas matemáticas abstractas, con su destacada elegancia y economía, así como las estructuras reales que contribuyen a la riqueza y complejidad del mundo viviente (y la relación entre ellos).

Una de las formas que presentan estas simetrías es la hélice que provee la más simple y mas reconocible ejemplo de un enantiomero. Cualquier hélice puede existir en teoría como parte de mutuas no superponibles imágenes. En otras palabras la hélice exhibe lo que se llama "handedness" (simetría especular con el otro par) o quiralidad.

Esta es una propiedad que muestra algo quizás revelador. Puede ser alguna vía de explicar por qué la vida en sus niveles mas fundamentales de genes y proteínas depende de dos clases de pequeñas moléculas enantioméricas, aminoácidos y nucleótidos, significantemente las moléculas en cada una de las dos clases, todas presentan este tipo de quiralidad.

Un poco de historia

Comencemos con Pauling: "Pasaron muchos y periódicos escritos en una cama de enfermo en 1948 antes de que la hélice fuera construida y aceptada como un modelo de estructura por Corey y Branson en Pasadena en 1950" (Hodgkin y Riley,1966). "Pasadena fue y sigue siendo el hogar de Caltech, y la hélice era la alfa-hélice. Fue en ese tiempo reconocida como 'el clásico elemento en la estructura proteica' "(Olby, 1974). Ciertamente, ahora parece que la idea de Pauling marcó un hito en el entendimiento del mundo viviente en los más profundos niveles.

La visión de Crick nos dice "La conformación hélicoidal estaba mucho más en el aire que antes de la alfa hélice.. Pauling obviamente pensó de esa forma. Bragg estaba convencido que las cosas eran helicoidales. Ellos estaban construyendo modelos helicoidales. Se diría que deberías ser excéntrico si no creías que el ADN era hélicoidal" (Olby, 1974).

Así, con estas referencias, no está claro cuando se relacionó la simetría espiral con las bases de la vida. Pauling vio mucho más allá del inmediato interés de elaboradas soluciones para un problema particular. En una de las curiosas coincidencias de la historia, alguien más probablemente lo habría hecho.

Cranem un físico nuclear que también trabajaba en Caltech, escribió en 1950 que, "cualquier estructura que es derecha o del tipo varilla (una categoría que incluye fibras tales que el largo excede ampliamente al diámetro) es probablemente una estructura que tiene una repetición a lo largo de un eje del tipo taladro", eso es una hélice (Crane, 1950). Pauling y Crane nunca colaboraron (Pauling, Crane; cartas al autor).

El significado de la observación de Crane esta estrechamente ligada con la idea de el cuerpo como una estructura de tensión bilateralmente simétrica. El cuerpo está formado crucialmente de fibras. Como Needham escribió en 1936. "La biología es mayormente el estudio de las fibras" (Needham, 1936).

De hecho la idea de la hélice como un principio estructural unificante de la biología fue descrita mucho más temprano. "The Curves of Life" libro de Cook fue publicado en 1914. Es una incomparable revisión de la hélice y su relativa proximidad con la espiral tanto en el arte y en las formas arquitectónicas (Cook, 1914). El libro da cientos de ejemplos: huesos, plumas, ordenamiento de dientes en tiburones y rayas; cuernoes de cabras, ovejas y antílopes, arreglos de las hojas y flores, conchas de moluscos y otros.

Es también como Gardner escribió "El clásico repaso de como la proporción divina se aplica a hélice y espirales" (Gardner, 1964) .Cook no estaba solo en su interés en hélices y espirales. Él recibió una copia de un libro de Colman "Unidad Armónica en la Naturaleza" (Colman 1911). En 1904 Church había escrito "Phyllotaxis and its Relation to Physical Laws" y rindió tributos a Goethe, quien había escrito extensamente de la estructura de las plantas incluyendo la phyllotaxis (Church, 1904).

D'Arcy Thompson escribió "On growth and Form" apareció en 1917, fue un libro cercano al de Cook en el énfasis de la forma como expresión de crecimiento, pero que tenía un poco mas de tratamiento matemático similar al de Colman. En "On Growth and Form" presentaba una forma filosófica de contraste con "Forma and Function" (Russell, 1916). Cabe destacar que no se mencionó ni la espiral ni la hélice en el.

La Biología Estructural Molecular y la Biología celular en la segunda mitad del siglo XX había agregado mucho más a la síntesis de Cook. Similares consideraciones anatómicas y fisiológicas son vistas al descender en los niveles microscópicos, tal como lo comentó Bragg... El mundo microscópico es como el nuestro... sólo que más pequeño.

Una espiral especial 

Crick y Watson descubrieron que el ADN o ácido desoxirribonucleico, la base de nuestra herencia genética conocida como “la molécula de la vida”, está formada por una doble hélice, como una escalera caracol, compuesta de azúcares y fosfatos en sus dos lados, con “escalones” formados por parejas de bases nitrogenadas: adenina y timina, guanina y citosina, cada una de ellas, unida a una espiral.

En 1953, Watson (izquierda) y Francis Crick (derecha). En 1962 ambos recibieron el Premio Nobel de Medicina por su trabajo.

El orden en que se encuentran estos pares a lo largo de la hélice, determina el mensaje genético que controla las características de cada individuo: sea éste un pino o un lirio, que su pelo sea rizado o tenga los ojos azules.

El ADN compone segmentos codificados o genes, que llevan las instrucciones hereditarias para elaborar las proteínas que gobiernan todos los procesos biológicos. Según algunos científicos, la espiral podría ser la forma más eficaz de agrupar material sin que se desordene por el espacio y, tal vez por eso, la molécula de ADN se envuelve sobre sí misma, guardando toda la información necesaria para la vida.

Mecánica Molecular

Los objetos vivientes tienden a estar en estructuras tensionadas. Esto implica una fuerte dependencia de las fibras para resistir, sostener, transmitir o generar fuerzas longitudinales, en la práctica estas son de forma de cables fibrosos formados por poroteinas y polisacaridos. En el mundo natural, tal como en el sintético, muchos materiales estructurales son compuestos de fibras reforzadas diseñados para resistir movimientos bruscos y usualmente combinan proteínas con polisacaridos. Un ejemplo es la combinación de chitin y  resilin de la cutícula de artropódos y otro el colágeno reforzado glicosaminoglicano geles de cartílago.

Virtualmente todas las proteínas contienen algo de estructura hélicoidal: por ejemplo los colágenos, tan amplios y versátiles poseen la características secuencias de aminoácidos y la "forma de cuerda " triple hélices. Otras proteínas que tienen estructura de hélice son las queratinas de la piel, cuernos e incluso uñas y tenazas así como algunos filamentos intermedios del citoesqueleto (estructura que le da firmeza a la célula).

La estructura del músculo también está ligada al tema hélicoidal con muchas variaciones. Las proteínas del músculo incluyen a la alfa hélice, myosinas tropomiosinas y paramiosinas así como la actina, una hélice de proteína globular con una variedad de roles, por ejemplo en el citoesqueleto y en la esteresocilia

Las proteínas globulares así como las fibrosas contienen estructuras secundarias helicoidales. Ocasionalmente es un colágeno de triple hélice por ejemplo en la acetilcolinestereasa y en la CIq proteína del sistema :inmunológico. De todas formas las principales proteínas tienen el 60% o ocasionalmente más de si secundaria estructura en la forma de la alfa hélice o alguna forma similar y cercana.

Así como la hélice es tan prominente en las características anatómicas de las proteínas puede ser también la clave de su fisiología. Fisiología implica movimiento, y las proteínas son intrínsecamente flexibles. Movimientos internos de las proteínas son de tres tipos: De bisagras, de ruptura además de conexión en particular en las inmunoglobulinas. En los movimientos de bisagra, las interfaces hélices-hélices son los mecanismos más comunes. Las hélices son ampliamente usadas como bisagras en forma discreta en la torsión de una estructura, o es usada como una progresiva distorsión a lo largo de ella.

Hélices enrolladas; Jerarquías Helicoidales

Hélices similares pueden ser enrolladas alrededor de otras para formar hélices helicoidales. La idea es común en botánica. Muchas plantas trepadoras son de esa forma por ejemplo la wisteria. La tradicional industria de los cordeles esta basada en la idea de jerarquías helicoidales en la cual el sentido de la hélice se va alternando entre dextrógiro y levógiro en cada clase de la jerarquía hélicoidal. Es así como se gana una estructura que no tiende a a enrollarse por si misma.

El colágeno posee una analogía molecular con estos cordeles, siendo un triple enrollado hélicoidal, dextrógiro, tensionado y hélicoidal tipo de estructura fibrosa con cada subfibra una hélice levógira. Crick parece haber sido el primero en sugerir en la base de secuencias de datos en la tropomiosina.

Esta forma molecular se hizo muy popular con las proteínas, por ejemplo la 5-helicolidal se encuentra en las proteínas globulares. De todos maneras la estructura de jerarquías helicoidales parece ser importante en interacciones entre proteínas. Se estima que el 5% de todo el ADN tiene esta estructura.

Las hélices solucionan gran tipo de problemas estructurales, Sin embargo a veces causan problemas, el ADN sólo puede ser copiado de la primera hebra desenrollada. Cientos de millones de hélices tienen que ser procesadas. La solución celular es la más grande clase de helicasas que viajan por el ADN, separando las hebras (West, 1996) Durante la división nuclear el ADN tiene que ser enrollado compactamente comenzando de las más bajas jerarquías a las mayores pasando de nucleosomas hasta la cromatina. Si algún enrollamiento se produjo mal, esta hélice es destruida, por enzimas especializadas

Enrollamientos helicoidales

Cuando el número de hélices individuales en este tipo de estrucutras es mayor a tres las estrucutras emergentes comienzan a tomar la forma de cilindros enrollados en forma de hélice , Los gruesos filamentos de los músculos son un ejemplo. Esto sugiere un modelo de cilindros estabilizados o enrollamientos helicoidales. Hélices son usualmente geodésicas. Una razón de su presencia podría ser que los organismos son estructuras tensas y en las superficies tensas las fibras siguen geodésicas.