Cuántica y bioquímica

Las causas de las mutaciones que puede sufrir el ADN son muy diversas y pueden deberse a efectos medioambientales, bioquímicos, radiactivos o de otra naturaleza, entre las que se encuentran las mutaciones por efecto túnel que son las que nos explica la física cuántica.

La figura de cabecera recoge la conocida forma del ADN con su característica doble hélice. Para facilitar el dibujo del esquema que vamos a hacer a continuación lo dibujaremos como si fuera una escalera plana. Cada peldaño de esta escalera está formado por dos de las cuatro bases nitrogenadas llamadas Adenina, Citosina, Guanina y Timina, que se suelen escribir por sus iniciales A, C, G y T. En cada peldaño se aparean la A y la T, o bien la C y la G, en este orden o en el contrario, como se indica en la figura 1 y puede verse en los colores de la figura de cabecera. Por este motivo las bases A y T o bien G y C se llaman bases complementarias.

La secuencia de estos apareamientos, debidamente ordenada como indica la figura 2, guarda toda la información genética de la vida, explicándonos sus secretos.

Las moléculas de A y T por un lado y las de C y G por otro se enlazan entre sí de una determinada manera. En la figura 3 se indica como es el enlace de las moléculas de Guanina y Citosina. Estos enlaces reciben el nombre de enlaces en puente de hidrógeno, y se muestran con líneas de puntos, indicando con ello una atracción natural entre los hidrógenos, que tienen carácter ácido, y los átomos de oxígeno y nitrógeno, que tiene carácter básico. Estos hidrógenos pueden tener los niveles energéticos de la curva azul de la figura 4, y en condiciones normales ocuparán el nivel más bajo de la curva, el nivel 1, que es para ellos una posición estable y la buscan de forma espontánea.

La característica más singular y esencial del ADN es su capacidad para replicarse a sí mismo, lo que tiene lugar porque en cada peldaño de la escalera, las dos bases que lo forman rompen su enlace, que es un enlace bastante débil, y cada una de las dos partes resultantes busca la base complementaria que le falta, replicando de esta manera la secuencia de partida. De esta forma, la escalera se va duplicando en dos y la célula hija tiene toda la información de la célula madre. Sin embargo, existe la posibilidad de que se produzca algún error, lo que puede ocurrir por diferentes causas. Cuando esto sucede, el ADN puede corregirse a sí mismo o mantener el error. En este segundo caso se dice que se ha producido una mutación.

               Figura 4

La mutación que nos interesa comentar aquí es la que tiene lugar cuando algún hidrógeno que se encuentre normalmente en el nivel 1 de energía salte al nivel 2. Aunque esto es muy poco probable porque entre ambos niveles existe una barrera de energía que el hidrógeno no puede superar, puede ocurrir por el efecto túnel que explica la física cuántica. Si se resuelve la ecuación de onda de Schrödinger, cuya función de onda se representa por la letra Ψ, en las condiciones en las que se encuentran los átomos de hidrógeno, el resultado es que existe una pequeña probabilidad de que los átomo de hidrógeno aparezcan en el nivel 2. Esta probabilidad es lo que representa la línea blanca de la figura 4. Y como todo lo que puede pasar pasa, aunque la probabilidad sea de uno entre mil millones, esto ocurre algunas veces.

Cuando ocurre, el hidrógeno puede cambiar su posición dentro de la molécula. Este fenómeno de cambio de posición de un átomo dentro de las moléculas se denomina tautomerización. Si tomamos una molécula de Timina, figura 5 izquierda, y se produce en ella un cambio de posición de un hidrógeno, tendríamos el tautómero de la Timina de la parte derecha de la misma figura. Es fácil observar que según las líneas de puntos que en ella hemos dibujado, este tautómero de la Timina encaja perfectamente con la Guanina de la misma forma que lo hacía la Citosina de la figura 3, por medio de un hidrógeno de carácter ácido y un nitrógeno y un oxígeno de carácter básico, atraídos de forma natural por los elementos de carácter opuesto de la Guanina, un oxígeno y dos hidrógenos respectivamente.

De esta forma, la pauta normal de acoplar la Guanina con la Citosina y la Adenina con la Timina, queda rota por el apareamiento de una Guanina con un tautómero de la Timina, dando lugar a una mutación. Una mutación que queda así explicada por la física cuántica, y en concreto por el efecto túnel.

Nota.- Para la redacción de este post he contado con la colaboración de Julia Reina Boria, estudiante de segundo curso de Ingeniería Biomédica en la Universidad Autónoma de Madrid.