12.7: El ADN y el Genoma Humano

En el Capítulo 7, Sección 7.6, se discutió el ácido desoxirribonucleico, ADN, y se observó que esta macromolécula almacena y pasa información genética que los organismos necesitan para reproducir y sintetizar proteínas. Recordemos que el ADN está compuesto por unidades repetitivas llamadas nucleótidos, cada una de las cuales consiste en una molécula del azúcar 2-desoxi-β-D-ribofuranosa, un ion fosfato, y una de las cuatro bases que contienen nitrógeno, adenina, citosina, guanina y timina (convencionalmente representadas por las letras A, C, G y T, respectivamente). El ADN es uno de los dos ácidos nucleicos, el otro de los cuales es el ácido ribonucleico, el ARN. Al igual que el ADN, el ARN consiste en nucleótidos repetidos pero el azúcar en el ARN es β-D-ribofuranosa y contiene uracilo en lugar de timina en sus bases. Las fórmulas estructurales de segmentos de ADN y ARN se muestran en la Figura 7.7.

La estructura del ADN es un aspecto clave de su función, y su elucidación por Watson y Crickin 1953 fue una visión científica que desencadenó una revolución en biología que está pasando hasta nuestros días. Las enormes moléculas de ADN consisten en dos hebras contraenrolladas entre sí y mantenidas unidas por enlaces de hidrógeno; una representación de esta estructura se muestra en la Figura 7.8. En esta estructura, los enlaces de hidrógeno que conectan bases complementarias en las dos cadenas están representados por líneas discontinuas. Debido a sus estructuras que hacen posible el enlace de hidrógeno, la adenina en una cadena siempre está unida por hidrógeno a la timina en la hebra opuesta y la guanina a la citosina. Durante la división celular las dos cadenas de ADN se desenrollan y cada una genera una cadena complementaria para el ADN de cada nueva célula.

En organismos con células eucariotas, el ADN se divide en unidades asociadas a moléculas proteicas llamadas cromosomas. El número de estos varía con el organismo; los humanos tienen 23 pares de cromosomas, un total de 46. Las hebras de ADN en los cromosomas, a su vez, se dividen en secuencias de nucleótidos, cada una distinguida por la base que contiene nitrógeno en ella. Estas secuencias de nucleótidos dan instrucciones para la síntesis de un tipo específico de proteína o polipéptido. (Las proteínas son las moléculas biológicas que componen gran parte de la estructura de las células y que realizan la mayoría de las funciones clave de los organismos vivos. Polipéptido es un término general para polímeros de aminoácidos; las proteínas son los polipéptidos de cadena relativamente larga). Estos grupos específicos de nucleótidos, cada uno de los cuales tiene una función específica, se denominan genes. Cuando se elabora una proteína en particular, el ADN produce un segmento de ácido nucleico denominado m ARN, que sale a la célula y hace que la proteína se forme a través de un proceso llamado transcripción y traducción (se dice que el gen se expresa).

Al ser las unidades que dan las indicaciones para la síntesis de proteínas, los genes son obviamente de suma importancia en los organismos vivos. Como se discute en la Sección 12.8, los genes ahora pueden transferirse entre diferentes tipos de organismos y dirigirán la síntesis de la proteína para la que están diseñados en el organismo receptor. Ahora se sabe que una serie de enfermedades humanas son el resultado de genes defectuosos, y existe una tendencia genética hacia contraer otro tipo de enfermedades. Por ejemplo, ciertas características génicas están involucradas en la susceptibilidad al cáncer de mama.

Debido a la conocida relación de las características genéticas con la enfermedad, se tomó la decisión a mediados de la década de 1980 de mapear todos los genes del cuerpo humano. Este cuerpo colectivo de genes se llama el genoma humano y el proyecto para mapearlo se denomina Proyecto Genoma Humano. El ímpetu original para este proyecto en Estados Unidos surgió por el interés en el daño al ADN humano por la radiación, como el de las armas nucleares. Pero, desde el principio, se reconoció que el proyecto tenía un enorme potencial comercial, sobre todo en la industria farmacéutica, y podría ser muy valioso en la salud humana.

El anuncio en 2001 de que el mapeo del genoma humano estaba completo prometía grandes avances en biología, especialmente en medicina. Los genes funcionan dirigiendo la síntesis de proteínas específicas y la acción de la mayoría de los productos farmacéuticos es alterar las actividades de las proteínas, el objetivo del fármaco. En algunos casos las proteínas se hacen más activas y en otros se disminuye su actividad. El conocimiento del genoma humano permite una mejor comprensión de la actividad proteica y debe facilitar el desarrollo de fármacos más específicos, algo que se ha desarrollado sólo lentamente. Por ejemplo, el gen responsable de la fibrosis quística fue descubierto en 1989 mediante el examen de las historias familiares de la enfermedad y sólo en 2010 fueron dos fármacos diseñados para combatir esa enfermedad en ensayos clínicos.

Secuenciación Genómica y Química Verde

El Proyecto Genoma Humano y la secuenciación genómica relacionada de otros organismos tienen una serie de implicaciones para la química verde. Uno de los objetivos clave de la química verde es usar químicos que tengan la máxima efectividad para su propósito declarado con mínimos efectos secundarios. Esto ciertamente se aplica a los productos farmacéuticos en los que un conocimiento del genoma humano puede permitir el desarrollo de fármacos que hacen exactamente lo que se supone que deben hacer sin afectar a los sistemas no diana. Esto significa que los medicamentos pueden fabricarse de manera muy eficiente con poco material de desecho.

Algunos de los efectos más importantes de la secuenciación del ADN en lo que se refiere a la química verde tienen que ver con una amplia variedad de organismos distintos a los humanos. Con un conocimiento exacto del ADN y de los genes que contiene, es posible tratar con organismos con una base altamente científica en áreas como el control de plagas y la biosíntesis de materias primas. Un mapa preciso de la composición genética de los insectos, por ejemplo, debería dar como resultado la síntesis de insecticidas dirigidos con precisión que matan a las plagas objetivo sin afectar a otros organismos. Dichos insecticidas deben ser efectivos a dosis muy bajas, minimizando así la cantidad de insecticida que se tiene que sintetizar y aplicar, consistente con los objetivos de la química verde.

Un conocimiento exacto de los genomas de organismos es extremadamente útil en la práctica de la ingeniería genética en la que los genes se transfieren entre especies para permitir la producción de las proteínas deseadas y dar a los organismos características deseables, como la resistencia a plagas. Una serie de proteínas y polipéptidos médicamente útiles ahora son producidos por microorganismos genéticamente modificados, más comúnmente bacterias Escherichia coli genéticamente modificadas. Quizás el mayor éxito con esta tecnología ha sido la biosíntesis de la insulina humana, una falta de la cual causa diabetes en humanos. Se requieren dos genes para elaborar este polipéptido relativamente corto que consta de solo 51 aminoácidos. Otras sustancias médicamente útiles producidas por organismos genéticamente modificados incluyen la hormona del crecimiento humano, el activador del plasmógeno tisular que disuelve los coágulos de sangre formados en ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares, y diversas proteínas vacunales para inocular contra enfermedades como meningitis, hepatitis B e influenza. La ingeniería genética se discute con más detalle en la Sección 12.8.