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Código genético (página 2)

Enviado por ET SAPIENCE



Partes: 1, 2

  • Primeramente se constituiría las células madres por medio de la fecundación.Este tipo de células contienen todos los elementos celulares que el ser vivo necesita para construirse.

  • Cada cromosoma toma una línea de desarrollo o célula madre y sobre ella comienza a emitir sus genes los cuales alimentarán y desarrollaran solo a los elementos de la célula madre que sean útiles para este órgano concreto.

  • Así pues con solo alimentar (energéticamente) y desarrollar los elementos propios de cada órgano celular es suficiente para crear a este órgano pues los demás elementos desaparecerán al no ser alimentados.

  • Por tanto la esencia del desarrollo de un ser vivo está en la alimentación energética coordinada de cada uno de sus elementos celulares incluído los elementos inductores de la reproducción celular.

  • Y esta coordinación estará determinada por el ordenamiento de los genes en cada cromosoma y de los cromosomas en el conjunto o cuerpo genético.

  • Entonces podemos decir que: "La funcionalidad genética consiste en el reparto adecuado de los factores energéticos del crecimiento y desarrollo (o genes) mediante un código particular de acceso para cada elemento que estará insertado tanto en el gen".Por tanto el Código Genético representa diferentes posiciones de acoplamiento con otros órganos celulares. Por otra parte, el proceso de desarrollo desde la célula madre hasta el órgano a construir sería el.La Duplicación (D) de las células seguida de la Transformación T de las  mimas, como se ve en el dibujo.La duplicación se llevaría a cabo por medio de un paquete de inductores (x D) de reproducción con objeto de conseguir el tamaño adecuado del órgano

La transcripción y la traducción (del mensaje)

La transcripción y la traducción de la información genética que contiene el ADN, se produce por el dogma central de la biología molecular :

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Hay que tener en cuenta que en las células procariotas, la transcripción y la traducción son dos procesos acoplados, de manera que a medida que se forman las cadenas de ARNm y se separan del molde, los ribosomas proceden a su traducción. En eucariota, sin embargo, son dos procesos independientes separados en el tiempo y en el espacio, ya que la transcripción se produce en el núcleo y la traducción se produce en el hialoplasma.

La biosíntesis de las proteínas comienza cuando un cordón de ARN, con la ayuda de ciertas enzimas, se forma frente a un segmento de uno de los cordones de la hélice del ADN. El ARN se forma a lo largo del cordón del ADN de acuerdo con la misma regla del apareamiento de las bases que regula la formación de un cordón de ADN, excepto en que en el ARN el uracilo sustituye a la timina debido al mecanismo de copia, el cordón del ARN, cuando se ha completado lleva una transcripción fiel del mensaje del ADN. Entonces el cordón de ARN se traslada al citoplasma en el cual se encuentran los aminoácidos, enzimas especiales, moléculas de ATP, ribosomas y moléculas de ARN de transferencia.

Una vez en el citoplasma, la molécula de ARN se una a un ribosoma. Cada tipo de ARNt engancha por un extremo a un aminoácido particular y cada uno de estos enganches implica una enzima especial y una molécula de ATP.

El proceso por el cual la información contenida en el ARN dirige o controla la secuencia en que deben unirse los aminoácidos para la síntesis de las proteínas se denomina traducción.

A medida que el cordón de ARN se desplaza a lo largo del ribosoma, se sitúa en su lugar la siguiente molécula de ARNt con su aminoácido. En este punto, la primera molécula de ARNt se desengancha de la molécula de ARN. La energía de enlace que mantienen a la molécula de ARNt unida al aminoácido se utiliza ahora para forjar el enlace peptídico entre los dos aminoácidos, y el ARNt desprendido queda de nuevo disponible. Aparentemente, estas moléculas de ARNc pueden utilizarse muchas veces.

El ARN mensajero parece tener una vida mucho más breve.

De esta manera, los cromosomas bacterianos mantienen un control muy rígido de las actividades celulares, evitando la producción de proteínas anormales que pudiera ocurrir por el posible desgaste de la molécula de ARN. Descifrando el código.

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  • La existencia del ARN fue postulada en 1961 por los científicos franceses Francois Jacob y Jacques Monod. Casi inmediatamente Marahall Niremberg, del Public Healt Service de los EE.UU., emprendió la comprobación de la hipótesis del ARN. Añadió varios estratos brutos de ARN de una cierta variedad de fuentes celulares a extractos de E.coli, es decir, materia que contenía aminoácidos, ribosomas, ATP y ARNt extractados de las células de E.coli y encontró que todos ellos estimulaban la síntesis proteínica.

  • El código parecía tener un lenguaje universal. Niremberg razonó que si E. coli podía leer un mensaje extraño y traducirlo en una proteína, quizás podría leer un mensaje totalmente sintético. Deseaba conocer el contenido exacto de cualquier mensaje que dictase.

  • Una SOLUCION simple para éste problema aparentemente difícil se le ocurrió súbitamente; utilizar una molécula de ARN construida a base de uno sólo ribonucleótico repetido muchísimas veces.

  • Durante el año siguiente al descubrimiento de Niremberg, publicado en 1961, Niremberg y Ochoa y muchos colaboradores, elaboraron posibles códigos para todos los aminoácidos utilizando ARN sintético.En la actualidad se han identificado todos menos tres trinucleótidos; 61 de las 64 combinaciones posibles. Estos tres se consideran en la actualidad signos de puntuación, significando el comienzo o el final de un mensaje concreto. Debido a que 61 combinaciones codifican 20 aminoácidos, está claro que hay cierto número de cordones "sinónimos".

  • SÍNTESIS de las proteínas: Al estudiar la transcripción del ADN al ARN ya hicimos referencia a la síntesis de las proteínas. Las instrucciones para la síntesis de las proteínas esta codificadas en el ADN del núcleo. Sin embargo, el ADN no actúa directamente, sino que transcribe su mensaje al ARN que se encuentra en las células.

- La síntesis de las proteínas ocurre como sigue:

-El ADN del núcleo transcribe el mensaje codificado al ARN. Una banda complementaria de ARN.

-El ARN mensajero formado sobre el ADN del núcleo, sale a través de los poros de la membrana nuclear y llega al citoplasma donde se adhiere a un ribosoma. Allí será leído y descifrado al código o mensaje codificado que trae el ADN del núcleo.

-El ARN de transferencia selecciona un aminoácido específico y lo transporta al sitio donde se encuentra el ARN mensajero. Allí engancha otros aminoácidos de acuerdo a la información codificada, y forma un polipéptido. Varias cadenas de polipéptidos se unen y constituyen las proteínas. El ARNt, queda libre. Las proteínas formadas se desprenden del ribosoma y posteriormente serán utilizados por las células. Igualmente el ARN de transferencia, es "descargado" y el ARN mensajero, se libera del ribosoma y puede ser destruido por las enzimas celulares o leído por una o más ribosomas.

Las síntesis de las proteínas comienza, por consiguiente, en el núcleo, ya que allí el ADN tiene la información, pero se efectúa en el citoplasma a nivel de los ribosomas.

LA TRANSCRIPCIÓN:

la mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo de la célula, y la síntesis de proteínas tiene lugar en el hialoplasma, por lo que la información que contiene el DNA debe de transcribirse a una molécula de ARNm ( en el núcleo también se sintetizan el ARNr y el ARNt, los cuales también son necesarios para la síntesis de proteínas ). Por lo tanto, los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen la transcripción de la información genética. Pero antes de ver el mecanismo de la transcripción, veremos la estructura del material hereditario, es decir vamos a ver la estructura de los GENES.

Estructura de los genes

La mayor parte de los genes son fragmentos del ADN que determinan la síntesis de una proteína, aunque existen otros que realizan funciones reguladoras (como por ejemplo los Operones ) y de los cuales no nos ocuparemos este curso.

La secuencia de nucleótidos que constituyen un gen, y los genes entre sí no se disponen linealmente, sino que están espaciados por fragmentos de ADN que no poseen información que pueda ser transcrita.

Además, en todo gen distinguimos las siguientes regiones:

1. Región promotora.

2. Región codificadora.

3. Región terminadora.

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1. Región promotora: Es una porción o zona del ADN que no codifica ningún aminoácido, pero que sirve para que los enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen.

2. Región codificadora: Es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de proteínas, es decir esta zona sí codifica aminoácidos. Dentro de esta región existen fragmentos de ADN que sí contienen información y que se llaman EXONES, y existen fragmentos que no contienen información y que se llaman INTRONES.

El principio de esta región codificadora viene determinado por la secuencia de bases TAC y su final por los tripletes ATT, ATC, o ACT, y que reciben el nombre de tripletes sin sentido, de paro o de stop.

3. Región terminadora: Es la región que marca el final del gen.

MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN:

Hay que destacar que para cada gen SÓLO se transcribe una de las dos cadenas de ADN, y esta transcripción se realiza de la siguiente manera:

  • 1. Iniciación :

El enzima ARN polimerasa ( existen tres tipos de ARN polimerasa : ARN polimerasa 1 que transcribe el ARNr, ARN polimerasa 2 que transcribe el ARNm, y la ARN polimerasa 3 que transcribe el ARNt y el ARNr 5S ) se fija a la región promotora del gen y provoca que la doble hélice se abra en la zona que se va a realizar la transcripción.

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  • 2. Alargamiento:

El ARN polimerasa reconoce la secuencia de inicio TAC de la región codificadora y comienza la síntesis de un ARNm precursor en dirección

5' ? 3', de manera que toma como molde una cadena de ADN que va en dirección 3' ? 5' y empieza a formar el ARN a partir de ATP, CTP, GTP y UTP ( son ribonucleótidos complementarios trifosfato ), de manera que la reacción que se produce es la siguientes:

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Además cuando el enzima lleva leído unos 30 nucleótidos se añade al ARN que se está formando una cabeza líder en el extremo 5" ( son unos 20-200 nucleótidos que van a servir para posteriormente en la traducción unir el ARNm a la subunidad menor del ribosoma y para que el ARNm no se degrade.

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3. Procesado:

El ARNm precursor sufre una serie de transformaciones ( el ARNr y el ARNt también las sufren ). Los dos aspectos esenciales del procesado son dos:

  • Eliminación de los intrones.

  • Modificación del extremo 3'.

El ARNm precursor contiene tanto los exones como los intrones, por lo cual se trata todavía de una ARNm que no es apto para que la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente proteína.

De manera que el ARNm precursor sufre la supresión de los intrones por una Ribonucleoproteína pequeña nuclear ( RNPpn ) y además se le añade una cola en el extremo 3' formada por unos 200 nucleótidos y todos estos nucleótidos tienen a la Adenina como base nitrogenada, y por eso esta cola se le llama cola POLI A. Una vez ocurrido esto, ya tenemos el ARNm maduro que en eucariota suele ser monocistrónico.

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Nota: En el ARNr y en el ARNt tiene mucha importancia las modificaciones de las bases.

Recordar que todos estos procesos ( formación de los ARN ) se han producido en el núcleo celular. Ahora el ARNm maduro, que a partir de ahora lo llamaremos simplemente ARNm, pasará al hialoplasma a través de los poros nucleares, donde conjuntamente con los ribosomas y el ARNt se sintetizarán las proteínas, es decir se producirá la traducción del mensaje genético.

Maduración del ARNm (Visión de conjunto).

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LA TRADUCCIÓN

Es la síntesis de proteínas, y para que se produzca los aminoácidos han de disponerse en el orden que define la secuencia de codones del ARNm.

La síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas en el citoplasma de la célula y participan como ya sabemos los tres tipos de ARN. El ARNm lleva la información del ADN desde el núcleo hasta el hialoplasma, el ARNt lleva los aminoácidos que se encuentran en el hialoplasma a los ribosomas y al ARNm, y el ARNr forma parte de los ribosomas.

NOTAS RECORDATORIAS:

1. Cada triplete de bases del ARNm se llama codón.

2. Las tres bases del ARNt reciben el nombre de anticodón.

3. Código genético: Relaciona la secuencia de bases del ADN o del ARNm, con la secuencia de aminoácidos de las proteínas, y sus características más importantes son:

  • Es degenerado.

  • Se lee sin comas.

  • Existen tripletes de paro. .

  • Todas las proteínas empiezan por Metionina ( Met ) ( AUG ), pero posteriormente después de la síntesis de proteínas la Met se puede eliminar

MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN:

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Se realiza siempre en dirección 5' ? 3', y consta de cuatro etapas:

  • ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS.
  • INICIACIÓN.
  • ELONGACIÓN
  • TERMINACIÓN

Activación de los aminoácidos

Es la unión de los aminoácidos en el citoplasma con su correspondiente ARNt por la acción de un enzima específico para los distintos aminoácidos. Recordar que la unión del aminoácido con su correspondiente ARNt se produce en el extremo 3' de éste.

ANIMACIÓN DE LA ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

• INICIACIÓN:

La subunidad pequeña del ribosoma se une a la región líder del ARNm y va a ir recorriendo la molécula. Al llegar al codón de iniciación AUG que codifica el principio de la síntesis de las proteínas, se les une el complejo formado por el ARNt-Met ( UAC ). Por último se une la subunidad mayor a la menor del ribosoma completando el complejo de iniciación.

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ANIMACIÓN DE LA INICIACIÓN:

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MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN :

ELONGACIÓN:

Esta etapa a su vez la podemos dividir en tres:

1. Unión del ARNt-Met reconocido por el codón.

2. Formación del enlace peptídico.

3. Translocación.

El ribosoma posee dos zonas a las que se puede unir el ARNt-aminoácido reconocido por el codón : El lugar P o PEPTIDIL, donde se une el ARNt-aminoácido y el lugar A o AMINOACIL que inicialmente está desocupado.

El proceso en esta etapa ocurre de la siguiente manera:

  • Unión del ARNt-Met reconocido por el codón: Entra el segundo aminoácido con su correspondiente ARNt (ARNt-aminoácido 2) con el anticodón correspondiente al codón del ARNm, y se sitúa en la región aminoacil del ribosoma (este aminoácido antes lógicamente se tuvo que activar para unirse a su correspondiente ARNt).

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  • Formación del enlace peptídico : Se forma el enlace peptídico y la Met ( recordar que es el primer aminoácido que entra ) se une al siguiente aminoácido.

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  • Translocación: El ribosoma se traslada hacia el codón siguiente ( en realidad es el ARNm el que se desplaza y no el ribosoma ) y el ARNt que lleva la Met se libera y sale fuera del ribosoma, de manera que el complejo ARNt-aminoácido 2-Met queda situado en la región peptidil del ribosoma y la región aminoacil está libre para que entre el tercer aminoácido con su correspondiente ARNt , el cual lógicamente también ha tenido que ser activado previamente. Así, sucesivamente se van añadiendo aminoácidos que constituyen la proteína hasta que se llega a un codón de paro de manera que se une a éste un Factor de Terminación ( RF ) que impide que se una al codón un nuevo aminoácil-ARNt.

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ANIMACIÓN DE LA ELONGACIÓN

TERMINACIÓN:

Cuando el ribosoma llega a uno de los codones sin sentido, la proteína se libera, las subunidades del ribosoma se disocian y se separan del ARNm.

Hay que destacar que varios ribosomas, de 4-6, incluso 100, pueden estar traduciendo al mismo tiempo una misma cadena de ARNm, y estos ribosomas reciben el nombre de polisomas o polirribosomas.

ANIMACIÓN DE LA TERMINACIÓN

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Por lo que vemos la función de los ribosomas será la de recibir las instrucciones genéticas y traducirlas en proteínas para lo cual es necesario que se una al ARNm y procesar la información.

También hay que decir, que las proteínas según se sintetizan van adquiriendo espontáneamente su estructura 3ª.

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  • REGULACION DE LA GENETICA

  • Modelo de Jacob y Monod

La célula realiza una serie de procesos químicos muy complejos en los que intervienen muchas enzimas ¿Cómo y quien sigue éstos procesos? ¿Cómo se sintetizan las proteínas en función de las necesidades del organismo o de las condiciones del medico? Las síntesis de enzimas está dirigida y regulada por los genes. ¿Cómo se efectúa esta regulación?. El modelo genético propuesto por Jacob y Monod explica este mecanismo.

Estos autores distinguen varios tipos de genes:

Los genes estructurales: Ocupan una función del ADN y tienen la función de explicar la función de aminoácidos en las moléculas de proteínas.

El operon: Está formado por varios genes estructurales y el gen operado que están ubicado en el extremo inicial. Este gen actúa como interruptor de corriente.

El gen regulador: Produce una determinada sustancia que al combinarse con el producto final, actúa como represor del operon. Esta sustancia produce un bloqueo de la acción del operon ya que se combinaron con el operador, el cual como dijimos anteriormente.

  • La teoría de Un gen - una enzima

La teoría más ampliamente aceptada sobre la manera de actuar los genes proviene de los trabajos de loa genetistas G. W. Beadle y E. L. Fatom, con el moho rojo del pan, Neurospora Crassa, perteneciente a los hongos asoomicetos. Neurospora es particularmente un organismo apropiado para llevar adelante estudios genéticos.

La Neurospora puede crecer en tubos de ensayo que contengan un medio de cultivo muy simple compuesto de: sacarosa, unas pocas sales y una vitamina, la biotina que proporciona todos los requerimientos nutricionales que necesita Neurospora para crecer, vivir y reproducirse. A partir de éstas sustancia relativamente complejas requeridas para su vida, tales como proteínas y ácidos nucleicos.

  • Beadle y Tatum expusieron

la acción de los rayos ultravioletas algunas esporas sexuales provenientes de cierto tipo de apareamiento de Neurospora. Lego dejaron que éstas esporas germinaran en un medio "completo", es decir, enriquecidos con vitaminas y aminoácidos. Una vez que se hubo desarrollado el micelio, se hicieron cruces con otros tipos de apareamiento. Las ascosporas producidas fueron retiradas individualmente y luego colocadas separadamente en medios de cultivos completos.

Una vez que crecieron, se colocaron porciones de micelio de cada cultivo en un medio mínimo. A veces el crecimiento continuaba, a veces se suspendía, cuando esto último ocurría la raza particular recibía varias vitaminas, aminoácidos, etc. hasta lograr que se produjera crecimiento. Finalmente se pudo establecer que cada raza deficientemente era capaz de crecer en un medio mínimo, al cual se había agregado una sustancia accesoria, por ejemplo, la tiamina. Beadle y Tatum supusieron que la radiación ultravioleta había producido una mutación del gen, que posibilita la síntesis de la tiamina, y lo había transformado en un alelo que no es capaz de hacerlo.

La síntesis de tiamina a partir de las sustancias simples presentes en el medio mínimo no ocurre mediante una sólo reacción química, sino a través de una serie completa de reacciones. Como todas las reacciones químicas en los seres vivos, cada una requiere la presencia de una enzima específica mediante la adición de compuestos intermedios (precursores) al medio en el cual crecía el moho.

Los investigadores concluyeron que el cambio de un precursor a otro estaba bloqueado por cuanto la enzima específica requerida estaba ausente.

Sobre ésta base, crearon la teoría de "Un gen – una enzima" referente a la acción del gen, que puede formularse en los siguientes términos: cada gen en un determinado organismo regula la producción de una enzima específica.

Son éstas enzimas las que pueden llevar a cabo todas las actividades metabólicas del organismo, de las cuales a la vez depende el desarrollo de una estructura y su fisiología característica, es decir, el fenotipo del organismo.

CÓDIGO GENÉTICO: CARACTERÍSTICAS Y DESCIFRAMIENTO

 

 

 

 

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Severo Ochoa

Marshall W. Nirenberg

Har Gobind Khorana

Sydney Brenner

  • Características del código genético.

  • Desciframiento del código genético.

  • Universalidad del código genético.

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:

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.

Características del código genético

Las características del código genético fueron establecidas experimentalmente por Fancis Crick, Sydney Brenner y colaboradores en 1961. Las principales características del código genético son las siguientes:

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Francis Crick

Sydney Brenner

  • El código está organizado en tripletes o codones: cada tres nucleótidos (triplete) determinan un aminoácido.

  • El código genético es degenerado: existen más tripletes o codones que aminoácidos, de forma que un determinado aminoácido puede estar codificado por más de un triplete.

  • El código genético es no solapado o sin superposiciones: un nucleótido solamente pertenece a un único triplete.

  • La lectura es "sin comas": el cuadro de lectura de los tripletes se realiza de forma continua "sin comas" o sin que existan espacios en blanco.

  • El código genético nuclear es universal: el mismo triplete en diferentes especies codifica para el mismo aminoácido. La principal excepción a la universalidad es el código genético mitocondrial.

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).

Si 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 (ARN-t). Los ARN-t 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 ? 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.

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Estructura ARN transferente

Estructura ARN transferente

Estructura ARN transferente

Los ARN-t suelen presentar bases nitrogenadas poco frecuentes como son la pseudouridina (?), metilguanosina (mG), dimetilguanosina (m2G), metilinosina (mI) y dihidrouridina (DHU, UH2).

El que realiza el reconocimiento del codón correspondiente del ARN-m es el anticodón del ARN-t y no el aminoácido. Mediante un experimento se demostró que era posible transformar el cisteinil-ARN-t mediante tratamiento con hidruro de níquel en alanil-ARN-t. Este tratamiento convierte la cisteína en alanina. De esta manera se consiguió un ARN-t específico de cisteina que en lugar de llevar unida cisteina llevaba unida alanina. Cuando se empleo este ARN-t híbrido para sintetizar proteínas se pudo comprobar que en el lugar en el que debía aparecer cisteina en la secuencia del polipéptido aparecía alanina. Por tanto, el que llevaba a cabo el reconocimiento del codón del ARN-m era el anticodón del ARN-t y no el aminoácido.

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. En la siguiente gráfica se observa que cuando en la posición 5' del anticodón hay una G, esta guanina puede emparejarse con un uracilo (U) de la posición 3' del codón o con una citosina (C).

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Flexibilidad de la tercera base del anticodón, tambaleo

En la siguiente tabla se indican los emparejamientos codón-anticodón permitidos por la regla del tambaleo:

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En la siguiente tabla se indican tres ARN-t de serina que pueden leer cada uno de ellos dos codones diferentes en el ARN-m. Estos tres ARN-t se denominan isoaceptores porque se unen (aceptan) al mismo aminoácido pero están codificados por genes distintos.

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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. Wittmann (1962) induciendo mutaciones con ácido nitroso en el ARN del virus del mosaico del tabaco (TMV) pudo demostrar que las  mutaciones habitualmente producían un cambio en un solo aminoácido. El ácido nitroso produce desaminaciones que provocan sustituciones de bases, si el código fuera solapado y un nucleótido formará parte de dos o tres tripletes, la sustitución de un nucleótido daría lugar a dos o tres aminoácidos alterados en la proteína de la cápside del TMV.

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Diferencias entre un código solapado y uno no solapado

Código solapado: restricciones en la secuencia de aminoácidos

Otra forma de comprobar que el código es sin superposición es que 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. Por consiguiente, 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.

En la siguiente tabla se da un ejemplo con una frase que contiene solamente palabras de tres letras. A partir de 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.

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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.

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Severo Ochoa

Marshall W. Nirenberg

Har Gobind Khorana

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.

La puesta a punto de estas técnicas requería poder sintetizar ARN-m de forma enzimática (grupo de Ochoa) o de  forma química (grupo de Khorana) y conseguir un sistema acelular estable para sintetizar proteínas (grupo de Nirenberg).

En esencia, los grupos de investigación anteriormente mencionados realizaron los siguientes tipos de esperimentos:

  • Utilización de homopolímeros.

  • Uso de copolímeros.

  • Empleo de polímeros de secuencia conocida.

  • Técnica de incorporación de ARN transferente.

Utilización de homopolímeros

Un homopolímero es un ARN sintético que solamente contiene un tipo de ribonucleótido. Por ejemplo, el ARN sintético UUUUUUUUUUUUU.......

Gruberg-Manago y Ochoa (1955) aislaron a partir de timo de ternera un ezima denominada Polirribonucleótido fosforilasa que tenía la capacidad de sintetizar ARN a partir de ribonucleósidos difosfato y sin necesidad de molde. Este enzima iba tomando al azar los ribonuclkeñosidos del medio para originar un ARN.

Matthei y Nirenberg (1961) consiguieron sintetizar polipéptidos "in vitro" añadiendo un ARN sintético de secuencia conocida a un sistema acelular estable de traducción. Usando la Polirribonucleótido fosforilasa sintetizaron poli-uridílico (poli-U: UUUUUUUUUUUUUU...). Cuando emplearon este ARN sintético en su sistema acelular de traducción daba lugar a la formación de un polipéptido que solamente contenía el aminoácido fenilalanina (Poli-fenilalanina: phe-phe-phe-phe-..). Por tanto, el triplete UUU codificaba para fenilalanina (phe). También comprobaron que el ARN síntético Poli C (Poli-citidílico: CCCCCCCCCC....) daba lugar a un polipéptido que contenía solamente prolina (Poli-prolina: pro-pro-pro-pro-pro-...), por tanto, el codón CCC significaba prolina (pro).

Poco tiempo después, Ochoa sintetizó Poli-adenílico (Poli-A: AAAAAAAAA....) y observó que el polipéptido que aparecía solamente tenía el aminoácido lisina (Poli-lisina: lys-lys-lys-lys-....). Por consiguiente el triplete AAA codificaba para el aminoácido lisina (lys). También corroboró que el Poli-C daba lugar a Poli-prolina. El ARN Poli-guanílico no producía proteína alguna, probablemente debido a que adquiría una estructura terciaría helicoidal que impedía su traducción a proteína.

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Uso de copolímeros

El siguiente paso fue la utilización de copolímeros, es decir, de ARN sintéticos que contenían más de un más de un ribonucleótido distinto. Para ello emplearon la Polirribonucleótido fosforilasa y pusieron en el medio dos ribonucleósidos distintos. Por ejemplo, U y G, de manera que había 5 veces más U que G en el medio (5U:1G). Debido a que el enzima toma los ribonucleósidos difosfato del medio al azar, la probabilidad de que tome un U del medio es 5/6, mientras< que la probabilidad de que tome una G es 1/6. El ARN sintético formado presentaba una secuencia al azar de uracilos y guaninas y aparecían en él ocho tripletes diferentes con las siguientes probabilidades:

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Cuando se analizó el polipéptido que se sintetizaba con este mensajero sintético, se observó que contenía fenilalanina (phe), cisteina (cys), valina (val), glicina (gly) y triptófano (trp). Tomando como valor 100 el de el aminoácido más frecuente, cys y val presentaban un valor de 20 mientras que trp y gly mostraban un valor de 4 a 5. Se confirmaba que UUU significaba fenilalanina y se deducía que 2U y 1G (UUG, UGU y GUU) codificaban para cisteína y valina. También se deducía que 1U y 2G (UGG, GUG y GGU) codificaban para triptófano y glicina. Sin emabrgo, no era posible asignar un triplete concreto para cisteína y valina, o para triptófano y glicina. Parece raro, que en estos experimentos no detectaran el aminoácido leucina (leu) que esta codificado por el triplete UUG, tampoco dedujeron que el aminoácido valina estaba codificado por 1U y 2 G (GUG). Uno e los problemas, de estos experimentos radica en asignar el valor 100 al aminoácido más frecuente y comparar las proporciones de aminoácidos obtenidas de esta manera con las de los distintos tripletes del mensajero, ya que el aminoácido más frecuente puede estar codificado por más de un triplete. Oto inconveniente es que los mensajeros sintéticos producidos no presenten la frecuencia de codones esperada por azar.Este tipo de experimentos fueron realizados por los grupos de Nirenberg y de Ochoa y no rindieron grandes resultados.

Empleo de polímeros de secuencia conocida

La siguiente forma de abordar el desciframiento de la clave genética fue utilizar ARN mensajeros sintéticos de secuencia conocida obtenidos por métodos de síntesis química o enzimática. Estos métodos fueron empleados por Khorana y col. (1965).

Utilizando el Poli-UCde 116 residuos de longitud, ARN mensajero sintético en el que se repite muchas veces seguidas el dinucleótido UC (UCUCUCUCUCUCUC...) obtuvieron un polipéptido que contenía los residuos de serina y leucina en secuencia alternada (ser-leu-ser-leu-ser-leu-ser-leu-....). El Poli-UC contiene dos tripletes diferentes, UCU y CUC, por consiguiente uno de ellos codifica serina y el otro leucina, pero no se puede determinar cuál a cuál.

También se emplearon los mensarejos sintéticos Poli-AC, Poli-AG y Poli-UG que codificacban para los siguientes aminoácidos:

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En 1965, Nishimura y colaboradores utilizaron el Poli-AAG, mensajero sintético en el que se repite muchas veces seguidas el trinucleótido AAG (AAGAAGAAGAAGAAG...) y encontraron la aparición de tres polipéptidos distintos en el sistema acelular de traducción, detectaron Poli-lisina (lys-lys-lys-lys-...), Poli-arginina (arg-arg-arg-arg-..) y Poli-glutamato (glu-glu-glu-glu-..). Estos resultados además de confirmar que el código genético se compone de grupos de tres bases o codones, indican que en los sistemas acelulares de traducción, la iniciación de la traducción del mensajero puede realizarse por cualquier ribonucleótido. Si comienza por la primea A, se repite AAG-AAG-AAG-.., si la tradución comienza por la segunda A, se repite AGA-AGA-AGA-AGA-..., y si la traducción comienza por la G, se repite el triplete GAA-GAA-GAA-GAA-GAA-....

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Naturalmente, en este experimento no se sabe cuál de los tres aminoácidos corresponde a cada uno de los tres tripletes

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TÉCNICA DE INCORPORACIÓN DE ARN TRASNFERENTES

En esta técnica se utilizan ARN mensajeros sintéticos de secuencia conocida con la siguiente estructura: los grupos de Khorana y Nirenberg emplearon trinucleótidos, mientras que el equipo de Matthei utilizaba oligonucleótidos del tipo ABCCCCCCCCCCC.... (el tercer nucleótido estaba repetido 100 veces). En este último caso solamente se analiza en primer triplete, ABC.En todos los casos, en lugar de analizar los polipéptidos sintetizados, se analiza la especificidad con que el ARN transferente (ARN-t) con o sin su aminoácido correspondiente se incorpora al ribosoma. Dicha especificidad viene determinada por la secuencia de ribonucleótidos del ARN-m sintético empleado.Para averiguar el ARN-t que es capaz de unirse en el ribosoma al trinucleótido analizado, es necesario marcar radiactivamente uno de los ARN-t de todos los utilizados. Se lleva a cabo esta operación marcadndo radiactivamente cada vez un ARN-t distinto.

Con este sistema fue posible descifrar todos los tripletes que aún no habían sido descifrados.

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.

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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.

El código genético mitocondrial es la única excepción a la universalidad del código, de manera que en algunos organismos los aminoácidos determinados por el mismo triplete o codón son diferentes en el núcleo y en la mitocondria.

Excepciones a la Universalidad del Código

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Conclusión

El código genético se transfiere desde el núcleo hasta el citoplasma a través del ARN y ARNt donde se producen las proteínas específicas que determinan al organismo.

Se hicieron muchas investigaciones en el año 1961, y se descubrieron todos los trinucleótidos y su importancia.

Finalmente se pudo establecer la teoría de un gen – una enzima que establece que cada gen en determinado organismo regula la producción de una enzima especifica.

De allí la importancia del código genético en la determinación de todas las características de los organismos.

Bibliografía

  • Robert K. Murray

Daryl K. Granner

Víctor W. Rodwell, Harper. Bioquímica Ilustrada- "El manual moderno"

México: editorial "El manual Moderno".17 a edición 2007.

  • Gerald Karp. Biología celular y molecular. México: Editorial mexicana. 5ª edición. 2009.

  • Crespo Xavier, Volney tovar

Nuria Currel, Jordi Currell. Anatomía Humana y Salud Corporal. Bogotá: Zamora editores. 2008.

 

 

Autor:

José Laura

Partes: 1, 2


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