Durante las últimas semanas pocos medios de comunicación han olvidado dedicar algunas palabras o ediciones especiales acerca de la celebración de los 50 años de la publicación del modelo de la doble hélice del ácido desoxirribonucleico (ADN). Como se indica en la presentación del suplemento especial que la revista Nature dedicó el pasado mes de enero [Nature, 421, (2003)] a este evento, hay pocas moléculas que cautivan del modo en que lo hace la molécula de ADN. Atrapa intelectualmente a científicos de muy diferente formación, inspira a artistas y ha sido capaz de cambiar las ideas de la tecnosociedad de comienzos del siglo XXI. La mayoría de nosotros hemos aprendido que la singular estructura del ADN proporciona la base química para entender la genética y cómo la disciplina que denominamos Biología Molecular tiende el puente entre la compleja química del ADN y su manipulación y posterior expresión en los seres vivos, pero en muy pocas ocasiones se nos informa acerca de las propiedades físicas de esta macromolécula. Propiedades, además, que no se diferencian mucho de la de los polímeros de síntesis que la química del siglo pasado fue capaz de desarrollar. Entre ellas se pueden destacar las propiedades mecánicas y eléctricas. Ambas son consecuencia del comportamiento microscópico de la materia, en este caso de las peculiares características estructurales de la macromolécula. En este artículo se pretende proporcionar una actualizada y breve información sobre algunas de las características eléctricas del ADN.

A lo largo de las dos últimas décadas tuvo lugar un gran controversia sobre la cuestión de si la molécula de ADN proporciona un conducto efectivo para el transporte de carga. Este tema ha fascinado a muchos científicos. El empaquetamiento de los pares de bases de la doble hélice, empaquetamiento o "stacking" de las bases aromáticas, no sólo confiere estabilidad al edificio estructural que supone el ensamblaje de la macromolécula, sino que también podría constituir la base molecular para la comunicación de electrones. En este sentido se han llevado a cabo un buen número de experimentos con el objetivo principal de extraer información concluyente sobre las propiedades de transferencia de carga del ADN.

Antes de pasar a exponer el mecanismo a través del cual se produce la conducción de electrones en el ADN, hay que aclarar que se trata de un mecanismo bastante complejo, y que existen multitud de factores que pueden influir en él, como son el sistema de inyección de la carga, la existencia o no de donadores y aceptores de electrones, la naturaleza de los mismos, la fuerza directriz de la reacción y la secuencia de nucleótidos que va a ser soporte de la transferencia de carga. Pero, a grandes rasgos, puede hablarse de dos tipos de mecanismos: el denominado mecanismo de superintercambio de una etapa, que se produce en condiciones oxidantes; y un segundo mecanismo, multietapa, denominado de saltos ("hopping") y que es característico de condiciones reductoras o bien de aquellos casos en que el estado electrónico excitado del donador de electrones y los niveles vibrónicos del ADN están prácticamente en resonancia. Estos dos mecanismos son bastante distintos entre sí, siendo una de las diferencias más relevantes el hecho de que en el primero la velocidad de transferencia de carga depende de la distancia entre el donador y el aceptor de electrones y en el segundo no se ha observado esta dependencia.

En condiciones oxidantes, la inyección de una carga positiva en el ADN provoca la oxidación de una guanina (G), con menor potencial de ionización y mayor afinidad electrónica que adenina (A), timina (T) y citosina (C). Esta transferencia de carga positiva se produce en un solo paso desde el inyector a la guanina más cercana a lo largo de la misma hebra, de manera que los pares A:T no son oxidados, sino que actúan sólo como puentes de la transferencia. La carga positiva se transferirá a la siguiente guanina y así sucesivamente, saltando de guanina en guanina, hasta que llegue a un sumidero de carga, es decir, un "locus" de la molécula donde la energía de estabilización de la carga positiva es mayor que en el resto, como, por ejemplo, una secuencia rica en guaninas. La velocidad de la transferencia de carga no está influida por la naturaleza del puente pero sí por su longitud, disminuyendo con ésta: se puede establecer una correlación logarítmica de la velocidad con la distancia entre dos guaninas consecutivas. Por otro lado, la presencia de bucles, uniones, cruces, hebras triples, etc, no afectan a la transferencia de electrones; sólo los errores en los emparejamientos G:C podrían impedir la transferencia de carga ya que favorecen la desprotonación de la guanina: la migración de la carga positiva está asociada a un desplazamiento de un protón de la guanina hacia la citosina, con lo que si existe un error de emparejamiento aumenta notablemente la acidez de la guanina. [Chem. Com., 667, (2002)].

La existencia de procesos de transferencia de carga en el ADN permite llevar a cabo una serie de consideraciones de indudable importancia biológica. Así podríamos destacar las posibilidades de uso de estos procesos como sensores de ADN y para el desarrollo de nuevos métodos de secuenciación del mismo. Es conocida la relevancia, especialmente en investigaciones moleculares del cáncer, de las interacciones entre el ADN de doble cadena y moléculas aromáticas de geometría plana y cíclica. Estas moléculas, denominadas de modo genérico agentes intercalantes, se sitúan entre el empaquetamiento de los pares de bases pudiendo, debido a sus peculiares características electrónicas, dado que suelen ser buenos aceptores de electrones, interrumpir el transporte electrónico a través del ADN. Las moléculas intercalantes de naturaleza metálica, tales como los complejos de rutenio (III) y rhodio (III), son los más usados como "sondas" moleculares, proporcionando interesantes informaciones sobre el alcance de la migración de electrones a través del ADN.

Los agentes intercalantes no están sólo restringidos a moléculas de "diseño químico" que interaccionan con el ADN. Las proteínas que se unen a esta macromolécula pueden influir también en la eficiencia de la transferencia electrónica a larga distancia. Así se ha demostrado que la metiltransferasa HhaI reduce el transporte de carga a la mitad y, más recientemente, que el enzima de restricción BamHI reduce la eficacia del transporte electrónico disminuyendo la densidad electrónica de la base guanina a través del enlace de hidrógeno por mediación del grupo guanidinio, cargado positivamente. Por el contrario, se ha documentado también recientemente que otros enzimas, que interaccionan preferentemente con el surco mayor de la doble hélice, pueden aumentar la eficacia del transporte de carga. Es interesante recordar que aún no se conoce en detalle la base molecular del reconocimiento del sitio de unión entre determinadas proteínas y el ADN. Algunos autores postulan que, además de factores intrínsecos de geometría molecular, puede tener lugar un reconocimiento basado en la especial especificidad electrónica que supone las características electrónicas de los pares de bases. Dichas características están basadas en un modo peculiar de "huella electrónica": los correspondientes potenciales de ionización y afinidades electrónicas de cada una de las bases, funcionando a modo de "código de barras" para un reconocimiento molecular. Los viejos conceptos de naturaleza quimicofísica ayudan, una vez más, a la moderna biología molecular.

Otro interesante impacto del transporte de carga a través del ADN radica en el papel de dicho transporte en la protección de genes frente a mutaciones. Bajo condiciones de estrés oxidativo las bases del ADN, especialmente las guaninas, son oxidadas, pudiendo causar mutaciones en el curso del proceso de replicación. Como sabemos, si la mutación tiene lugar en la región codificante, una proteína mutante puede llegar a ser sintetizada. No obstante, hay determinados genes que poseen secuencias ricas en pares guanina-citosina (G:C) localizadas justo fuera de la región codificante. Se postula que dichas secuencias actúan como sumideros de carga positiva, a la vez que como fuerza directriz, para la migración de carga a través del ADN ionizado. Esta protección de naturaleza "catódica" de genes, tal y como se le ha denominado, está siendo objeto de importantes investigaciones. De todos modos, no deja de ser intrigante cómo la naturaleza parece explotar procesos de transporte de carga en el ADN para detectar y resolver potenciales modificaciones de su información genética.