Una vez que Crick (1958) propuso la Hipótesis de la Secuencia ("existe una relación entre la ordenación lineal de nucleótidos en el ADN y la ordenación lineal de aminoácidos en los polipéptidos"), la comunidad científica la admitió y se plantearon dos preguntas:
- ¿Existe algún código o clave que permite pasar de la secuencia de nucleótidos en el ADN a la secuencia de aminoácidos en las proteínas?
- ¿Cómo se convierte la información contenida en la secuencia de ADN en una estructura química de proteína?
La primera pregunta conlleva el estudio del desciframiento del código genético y el estudio de sus características.
La segunda pregunta consiste en el estudio de los procesos genéticos de la síntesis de proteínas: la transcripción y la traducción, que deben estudiar en el libro de Audersirk, en las paginas 163 a 183. Estudien las cinco preguntas del resumen de conceptos claves y resuelvan las paginas 182 y 183, para discutirlas el proximo martes 12 de agosto.
CARACTERÍSTICAS
Las características del código genético fueron establecidas experimentalmente por Fancis Crick, Sydney Brenner y colaboradores en 1961.
Sus principales características del código genético son las siguientes:
CÓDIGO ORGANIZADO EN TRIPLETES O CODONES
Si cada nucleótido determinara un aminoácido, solamente podríamos codificar cuatro aminoácidos diferentes ya que en el ADN solamente hay cuatro nucleótidos distintos. Cifra muy inferior a los 20 aminoácidos distintos que existen.
Si cada dos nucleótidos codificarán un aminoácido, el número total de dinucleótidos distintos que podríamos conseguir con los cuatro nucleótidos diferentes (A, G, T y C) serían variaciones con repetición de cuatro elementos tomados de dos en dos VR4,2 = 42 = 16. Por tanto, tendríamos solamente 16 dinucleótidos diferentes, cifra inferior al número de aminoácidos distintos que existen (20).
Cada grupo de tres nucleótidos determina un aminoácido.
Teniendo en cuenta que existen cuatro nucleótidos diferentes (A, G, T y C), el número de grupos de tres nucleótidos distintos que se pueden obtener son variaciones con repetición de cuatro elementos (los cuatro nucleótidos) tomados de tres en tres: VR4,3 = 43 = 64.
Por consiguiente, existe un total de 64 tripletes diferentes, cifra más que suficiente para codificar los 20 aminoácidos distintos.
El CÓDIGO GENÉTICO ES DEGENERADO
Como hemos dicho anteriormente existen 64 tripletes distintos y 20 aminoácidos diferentes, de manera que un aminoácido puede venir codificado por más de un codón. Este tipo de código se denomina degenerado. Wittmann (1962) induciendo sustituciones de bases por desaminación con nitritos, realizó sustituciones de C por U y de A por G en el ARN del virus del mosaico del tabaco (TMV), demostrando que la serina y la isoleucina estaban determinadas por más de un triplete.
Las moléculas encargadas de transportar los aminoácidos hasta el ribosoma y de reconocer los codones del ARN mensajero durante el proceso de traducción son los ARN transferentes o de transferencia (ARN-t), que tienen una estructura en forma de hoja de trébol con varios sitios funcionales:
- Extremo 3': lugar de unión al aminoácido (contiene siempre la secuencia ACC).
- Lazo dihidrouracilo (DHU): lugar de unión a la aminoacil ARN-t sintetasa o enzimas encargadas de unir una aminoácido a su correspondiente ARN-t.
- Lazo de T ψ C: lugar de enlace al ribosoma.
- Lazo del anticodón: lugar de reconocimiento de los codones del mensajero.
Normalmente el ARN-t adopta una estructura de hoja de trébol plegada en forma de L o forma de boomerang.
La degeneración de l código se explica teniendo en cuenta dos motivos:
- Algunos aminoácidos pueden ser transportados por distintas especies moleculares (tipos) de ARN transferentes (ARN-t) que contienen distintos anticodones.
- Algunas especies moleculares de ARN-t pueden incorporar su aminoácido específico en respuesta a varios codones, de manera que poseen un anticodón que es capaz de emparejarse con varios codones diferentes. Este emparejamiento permisivo se denomina Flexibilidad de la 3ª base del anticodón o tambaleo.
Flexibilidad de la 3º base del anticodón, tambaleo: La tercera base del anticodón, la que ocupa la posición 5' no está especialmente confinada, de forma que, en algunos casos, puede emparejarse con distintas bases del codón.
El código genético es no solapado o sin superposiciones
Un nucleótido solamente forma parte de un triplete y, por consiguiente, no forma parte de varios tripletes, lo que indica que el código genético no presenta superposiciones.
Por tanto, el código es no solapado.
Se puede comprobar que el código es sin superposición, porque no hay ninguna restricción en la secuencia de aminoácidos de las proteínas, de manera, que un determinado aminoácido puede ir precedido o seguido de cualquiera de los 20 aminoácidos que existen. Si dos codones sucesivos compartieran dos nucleótidos, cualquier triplete solamente podría ir precedido o seguido por cuatro codones determinados.
Si el código fuera superpuesto, un aminoácido determinado solamente podría ir precedido o seguido de otros cuatro aminoácidos como mucho.
LA LECTURA DEL CÓDIGO GENÉTICO ES "SIN COMAS"
Teniendo en cuenta que la lectura se hace de tres en tres bases, a partir de un punto de inicio la lectura se lleva a cabo sin interrupciones o espacios vacíos, es decir, la lectura es seguida "sin comas". De manera, que si añadimos un nucleótido (adición) a la secuencia, a partir de ese punto se altera el cuadro de lectura y se modifican todos los aminoácidos. Lo mismo sucede si se pierde (deleción) un nucleótido de la secuencia. A partir del nucleótido delecionado se altera el cuadro de lectura y cambian todos los aminoácidos. Si la adición o la deleción es de tres nucleótidos o múltiplo de tres, se añade un aminoácido o más de uno a la secuencia que sigue siendo la misma a partir del la última adición o deleción. Una adición y una deleción sucesivas vuelven a restaurar el cuadro de lectura.
Si ocurre la adición de una letra cambia la pauta de lectura y el significado de la frase, lo mismo sucede cuando se pierde una letra. Una adición y una deleción sucesivas recuperan el significado de la frase. Una adición de tres letras añade una palabra pero después se recupera la pauta de lectura y el sentido de la frase.
DESCIFRAMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO
La asignación de un aminoácido a cada triplete o el desciframiento de la clave genética, se llevó a cabo fundamentalmente gracias al esfuerzo de tres grupos de investigación, el grupo de M. W. Nirenberg, el grupo de S. Ochoa y el equipo de H. G. Khorana. Parece lógico pensar que el desciframiento del código genético se debería haber realizado comparando las secuencia de nucleótidos de un gen y la de aminoácidos del polipéptido codificado por dicho gen. Sin embargo, en la época en la que se realizaron estos trabajos no era posible todavía obtener la secuencia de los ácidos nucleicos.
La mayoría de los trabajos realizados por estos tres grupos de investigación consistieron en sintetizar ARN mensajeros (ARN-m) para utilizarlos posteriormente como mensajeros artificiales en un sistema acelular de traducción "in vitro". Estos sistemas acelulares de traducción "in vitro" procedían de la bacteria E. coli y contenían todo lo necesario para llevar a cabo la traducción: ribosomas, todos los ARN transferentes, aminoácidos, enzimas, etc. Sin embargo, a estos sistemas acelulares se les quitaban los ARN mensajeros de E. coli y se les añadía un ARN sintetizado artificialmente. En estos sistemas acelulares se sintetizaba un polipéptido.
Posteriormente, se comparaba la secuencia del ARN -m sintético utilizado en el experimento con la secuencia de aminoácidos del polipéptido producido.
El código genético es universal
El desciframiento del código genético se ha realizado fundamentalmente en la bacteria E. coli, por tanto, cabe preguntarse si el código genético de esta bacteria es igual que el de otros organismos tanto procarióticos como eucarióticos. Los experimentos realizados hasta la fecha indican que el código genético nuclear es universal, de manera que un determinado triplete o codón lleva información para el mismo aminoácido en diferentes especies. Hoy día existen muchos experimentos que demuestran la universalidad del código nuclear, algunos de estos experimentos son:
- Utilización de ARN mensajeros en diferentes sistemas acelulares. Por ejemplo ARN mensajero y ribosomas de reticulocitos de conejo con ARN transferentes de E. coli. En este sistema se sintetiza un polipéptido igual o muy semejante a la hemoglobina de conejo.
- Las técnicas de ingeniería genética que permiten introducir ADN de un organismo en otro de manera que el organismo receptor sintetiza las proteínas del organismo donante del ADN. Por ejemplo, la síntesis de proteínas humanas en la bacteria E. coli.
El desciframiento del código genético dio como resultado la siguiente asignación de aminoácidos a los 64 tripletes.
| | SEGUNDA BASE | | | |||||||
| | U | C | A | G | | | ||||
P R I M E R A B A S E | U | UUU | Phe | UCU | Ser | UAU | Tyr | UGU | Cys | U | T E R C E R A B A S E |
UUC | Phe | UCC | Ser | UAC | Tyr | UGC | Cys | C | |||
UUA | Leu | UCA | Ser | UAA | FIN | UGA | FIN | A | |||
UUG | Leu | UCG | Ser | UAG | FIN | UGG | Trp | G | |||
C | CUU | Leu | CCU | Pro | CUA | His | CGU | Arg | U | ||
CUC | Leu | CCC | Pro | CAC | His | CGC | Arg | C | |||
CUA | Leu | CCA | Pro | CAA | Gln | CGA | Arg | A | |||
CUG | Leu | CCG | Pro | CAG | Gln | CGG | Arg | G | |||
A | AUU | Ile | ACU | Thr | AAU | Asn | AGU | Ser | U | ||
AUC | Ile | ACC | Thr | AAC | Asn | AGC | Ser | C | |||
AUA | Ile | ACA | Thr | AAA | Lys | AGA | Arg | A | |||
AUG | Met | ACG | Thr | AAG | Lys | AGG | Arg | G | |||
G | GUU | Val | GCU | Ala | GAU | Asp | GGU | Gly | U | ||
GUC | Val | GCC | Ala | GAC | Asp | GGC | Gy | C | |||
GUA | Val | GCA | Ala | GAA | Glu | GGA | Gly | A | |||
GUG | Val | GCG | Ala | GAG | Glu | GGG | Gly | G |
El código genético nos indica que aminoácido corresponde a cada triplete o codón del ARN mensajero.
- El triplete de iniciación suele ser AUG que codifica para Formil-metionina. También pueden actuar como tripletes de iniciación GUG (Val) y UGG (Leu) aunque con menor eficacia.
- Existen tres tripletes sin sentido o codones de terminación (FIN) que no codifican para ningún aminoácido: UAA (ocre), UAG (ambar) y UGA (ópalo).
- La mayoría de los aminoácidos están determinados por más de un triplete, excepto la metionina (AUG) y el triptófano (UGG) que son los únicos que poseen un solo triplete.
- Cuando un aminoácido está codificado por varios tripletes suele variar la tercera base, por ejemplo, la glicina es GGX, la alanina es GCX, la valina es GUX, la treonina es ACX. Sin embargo, hay varias excepciones en las que también puede variar la primera base, por ejemplo, la arginina es AGPu y CGX, la leucina es CUX y UUPu y la serina es UCX y AGPi.