EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA CRIPTOGRAFÍA

Transcripción

1 EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA CRIPTOGRAFÍA Ladislao Palomar Morales 1*, Josué Yasar Guerrero Morales 1, Quetzalliy Medina Vázquez 1 y Giovanna Rico Prince 2 1 FES Cuautitlán UNAM. Av. 1o de Mayo S/N, Santa María las Torres, Cuautitlán Izcalli, Mex. 2 CINVESTAV Unidad Mérida. Km. 6 Antigua carretera a Progreso Apdo. Postal 73, Cordemex, 97310, Mérida, Yuc., Méx. VD-POVD037 Resumen En 1958 Francis Crick enuncia lo que hoy conocemos como el Dogma Central de la Biología Molecular, explicando que el DNA, localizado en el núcleo de la célula, contiene la información necesaria para la síntesis de las proteínas que son moléculas características de cada tipo de células. La información contenida en el DNA está escrita en un lenguaje de 4 moléculas diferentes, que los bioquímicos abreviamos como A, C, G, T (abreviaturas de sus nombres químicos), esta información debe ser llevada a el lugar de ensamblaje de las proteínas (los ribosomas situados en el citoplasma celular. Cada proteína está formada por una secuencia única de una veintena de unidades llamadas aminoácidos. Pasar de un lenguaje de 4 letras a otro lenguaje de 20 letras obliga a tener un código de lenguaje cifrado que es material de estudio de la criptografía. La palabra criptografía es de origen griego y significa "escritura oculta", los códigos de escritura oculta han sido usados por el hombre desde la más remota antigüedad. Palabras clave: DNA, Dogma central, Biología, Criptografía. 1. Introducción La confidencialidad de la información es un asunto de vital importancia para las personas, las empresas y los países. La criptografía desarrolla métodos para cifrar y descifrar la información con objeto de protegerla. La criptografía, es un término derivado de las palabras griegas kryptós, que significa escondido, y graphein, que significa escribir. El objetivo de la criptografía no es ocultar la existencia de un mensaje, sino ocultar su significado. Es decir, la criptografía se encarga de enmarañar la información de tal manera que el mensaje que se quiere transmitir no lo entienda nadie, excepto la persona a la que va destinado. El uso de la criptografía es tan antiguo como el hombre mismo, por su naturaleza es utilizado por las agencias de seguridad nacionales; actualmente se usa como un medio normal de comunicación en internet, radio, comunicación satelital, etc. 1 * Ladislao Palomar Morales. cancer960@yahoo.com.mx Tel Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 1

2 Uno de los primeros metodos utilizados para cifrar y descifrar mensajes fue la escítala espartana en el siglo V antes de Cristo, consistía en un par de varas gemelas del mismo grosor y una cinta; el mensaje era escrito con la cinta colocada alrededor de una de las varas, se enviaba la cinta al poseedor de la otra vara quien enrollaba la cinta y de esta forma descifraba el mensaje escrito en ella Figura 1. Escítala espartana (Castellanos, 2014) Durante la primera mitad del Siglo XX fueron diseñadas varias máquinas para cifrar y descifrar mensajes, quizás la más conocida de ellas sea la Enigma, diseñada por Arthur Scherbius, y que cuenta con un tambor rotatorio semejante a la escítala, fue utilizada durante la segunda guerra mundial Figura 2. Arthur Scherbius (Klagenfurt Universität, sf) y su máquina Enigma (Tolgalen, 2008) 2. El Dogma Central de la Biología Molecular En 1953, Watson y Crick describen la estructura del DNA, que está localizado en el núcleo de la célula, y que unos años antes se había confirmado como el responsable de transmitir la información de los caracteres hereditarios. Esta estructura está Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 2

3 conformada por dos largas cadenas formadas por cuatro nucleótidos diferentes. Cada nucleótido está constituido de un grupo fosfato, un azúcar (desoxirribosa) y una base nitrogenada. Una cadena de DNA está conformada por millones de nucleótidos A B Figura 3. A) Estructura simplificada de los 4 nucleótidos (Rodríguez, sf) B) fragmento de DNA (Wikimedia, 2008) Cuando se va a realizar la síntesis de una proteína, el DNA, debe ser transcrito a RNA. El RNA es similar al DNA. Las diferencias son el tipo de azúcar (ribosa), uracilo en lugar de timina y está formado por una sola cadena. El RNA tiene propiedades características que le permiten estar en el citoplasma de la célula. El RNA es el mensaje que debe ser leído en el ribosoma (estructura celular descubierta en 1955) para poder sintetizar las proteínas necesarias Figura 4. Diferencias entre DNA y RNA (Schnek y Massarini, 2008) Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 3

4 Figura 5. Traducción del RNA en la síntesis de proteínas (UCM, sf) Una proteína está constituida por una veintena de aminoácidos, cada aminoácido en el RNA está indicado por un codón (tres bases nitrogenadas). En resumen el Dogma Central de la Biología molecular indica que la información fluye solo en un sentido, del DNA hacia proteínas Figura 6. Esquema del Dogma Central de la Biología Molecular (Farabee, 2006) Lo hasta aquí explicado parece sencillo, pero en 1958 no se comprendía y Crick indica que el problema tiene tres aspectos importantes: el flujo de energía, el flujo de materia y el flujo de información. En este trabajo explicaremos como responder los dos últimos, y de forma muy especial el flujo de información. Y como el mismo Crick Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 4

5 menciona por información me refiero a la especificación de la secuencia de aminoácidos de la proteína (Crick, 1958). La característica especial y única en la síntesis de proteínas es que existe solo un conjunto de veinte aminoácidos que pueden ser utilizados, y que para una proteína en particular los aminoácidos se deben ensamblar en el orden correcto. Este es el problema, el problema de la secuenciación, el quid de la cuestión, aunque es obvia la importancia de descubrir los pasos químicos exactos que conducen hacia y permiten el acto crucial de la secuenciación. En un organismo unicelular simple, una bacteria, deben existir probablemente un millar de proteínas diferentes, conteniendo cada una de ellas algunos cientos de aminoácidos en una secuencia especifica que además tiene una forma determinada, la cantidad de información necesaria para realizar esta secuenciación es considerable. Refiriéndonos únicamente a las bases nitrogenadas en el DNA existen 4 que se abrevian con sus iniciales: A, G, C, T. En el RNA también existen 4 tres de ellas idénticas y una diferente, de forma semejante son: A, C, G y U. Por lo que traducir la información de DNA a RNA es muy simple, por ejemplo: DNA 5 -AATGACAAGCTTCGATCAGTAGCA-3 RNA 5 -AAUGACAAGCUUCGAUCAGUAGCA-3 La secuencia anterior es pequeña, qué pasaría con una secuencia de un millón de bases? La respuesta es fácil, exactamente lo mismo. El problema principal y especial es la Traducción, ya que tenemos dos conjuntos con diferente número de elementos, por un lado el de bases nitrogenadas del RNA y por otro lado el de una veintena de aminoácidos. Tabla 1. Nombres de los aminoácidos y abreviaturas empleadas Abreviatura Aminoácido Tres letras Una letra Alanina Ala A Cisteína Cys C Ácido aspártico Asp D Ácido glutámico Glu E Fenilalanina Phe F Glicina Gly G Histidina His H Isoleucina Ile I Lisina Lys K Leucina Leu L Metionina Met M Asparagina Asn N Prolina Pro P Glutamina Gln Q Arginina Arg R Serina Ser S Treonina Thr T Valina Val V Triptófano Trp W Tirosina Tyr Y Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 5

6 Para realizar la traducción correcta se requiere un código y la respuesta más lógica es que la unidad de lectura, que llamamos codón, sea un triplete de bases, ya que la lectura de solo un par da como resultado 4x4=16 permutaciones. El uso de un triplete planteaba en su momento dos dificultades: la primera es que no existen 4x4x4=16 aminoácidos; la segunda es donde debe empezarse la lectura (suponiendo que no se inicia en un extremo de la cadena) ya que no existe un indicador para esto. Al parecer la respuesta, continua diciendo Crick, es el hecho de que algunos de estos tripletes sean sinónimos de otros y se traduzcan de la misma manera. El código simplificado sería el siguiente, en el que cada letra representa una base cualquiera: Figura 7. Código simplificado según Crick (1958) El código real sustituyendo las letras anteriores por las iniciales de las bases contenidas en el RNA es el siguiente: Figura 8. Código genético (Sánchez, sf) Por lo que tomando como ejemplo las secuencias antes mencionadas podíamos completar de la siguiente forma: DNA 5 -AATGACAAGCTTCGATCAGTAGCAG.-3 RNA 5 -AAUGACAAGCUUCGAUCAGUACGAG -3 Proteína Met-thr-ser-tyr-asp-gln-tyr-glu Hasta encontrar el codón de paro. Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 6

7 Referencias Angel-Angel, JJ. (2016). Criptografía para principiantes. [En línea]. consultado el 10 de enero de 2016 de: Castellanos, L. (2014). Seguridad en informática. [En línea]. Obtenido el 10 de enero de 2016 de: Crick, FHC. (1958). On the protein synthesis. Symposia of the Society for Experimental Biology 12: [En línea]. Obtenido el 10 de enero de 2016 de: Farabee, MJ. (2006). On-Line Biology Book. [En línea]. Obtenido el 10 de enero de 2016 de: l Klagenfurt Universität. (sf). Virtual Exhibitions in Informatics.. [En línea]. consultado el 10 de enero de 2016 de: Rodríguez Piaya, J. (sf). Los ácidos nucleicos. [En línea]. consultado el 10 de enero de 2016 de: s_nucleicos/index_acidos_nucleicos.html Sánchez Guillén, JL. (SF). Bloque III-4- trascripción y traducción de la información genética. [En línea]. consultado el 10 de enero de 2016 de N/T404_TRAS_TRADU/EJERCICiOS_sol.htm Schnek, A. y Massarini, A. (2008). Curtis. Biología. México. Editorial Médica Panamericana. Tolgalen. (2008). y Park. [En línea]. consultado el 10 de enero de 2016 de: Universidad Complutense de Madrid (UCM). (sf). Procesos genéticos de la síntesis de proteínas: traducción. [En línea]. Obtenido el 10 de enero de 2016 de: n.htm Watson, JD. & Crick, FHC. (1953). Molecular Structure of Nucleic Acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171(4356): [En línea]. Obtenido el 10 de enero de 2016 de: Wikimedia. (2008). Hendiduras mayor menor. [En línea]. Obtenido el 10 de enero de 2016 de: Memorias del Octavo Congreso Internacional sobre la Enseñanza y Aplicación de las Matemáticas 7