15.1: El Código Genético

Habilidades para Desarrollar

• Explicar el “dogma central” de la síntesis proteica
• Describir el código genético y cómo la secuencia de nucleótidos prescribe la secuencia de aminoácidos y proteínas

El proceso celular de transcripción genera ARN mensajero (ARNm), una copia molecular móvil de uno o más genes con un alfabeto de A, C, G y uracilo (U). La traducción del molde de ARNm convierte la información genética basada en nucleótidos en un producto proteico. Las secuencias proteicas constan de 20 aminoácidos que ocurren comúnmente; por lo tanto, se puede decir que el alfabeto proteico consta de 20 letras (Figura\(\PageIndex{1}\)). Cada aminoácido se define por una secuencia de tres nucleótidos llamada codón triplete. Diferentes aminoácidos tienen diferentes químicas (como ácido versus básico, o polar y no polar) y diferentes restricciones estructurales. La variación en la secuencia de aminoácidos da lugar a una enorme variación en la estructura y función de la proteína.

Figura\(\PageIndex{1}\): Se muestran las estructuras de los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas. Cada aminoácido está compuesto por un grupo amino (\(\text{NH}_3^+\)), un grupo carboxilo (COO ^-) y una cadena lateral (azul). La cadena lateral puede ser no polar, polar o cargada, así como grande o pequeña. Es la variedad de cadenas laterales de aminoácidos lo que da lugar a la increíble variación de la estructura y función de las proteínas.

El Dogma Central: ADN Codifica ARN; ARN Codifica Proteína

El flujo de información genética en las células del ADN al ARNm a la proteína es descrito por el Dogma Central (Figura\(\PageIndex{2}\)), que establece que los genes especifican la secuencia de ARNm, que a su vez especifican la secuencia de proteínas. La decodificación de una molécula a otra es realizada por proteínas y ARN específicos. Debido a que la información almacenada en el ADN es tan central para la función celular, tiene sentido intuitivo que la célula haga copias de ARNm de esta información para la síntesis de proteínas, al tiempo que mantiene el ADN en sí intacto y protegido. La copia de ADN a ARN es relativamente sencilla, con un nucleótido que se agrega a la cadena de ARNm por cada nucleótido leído en la cadena de ADN. La traducción a proteína es un poco más compleja porque tres nucleótidos de ARNm corresponden a un aminoácido en la secuencia polipeptídica. Sin embargo, la traducción a proteína sigue siendo sistemática y colineal, de tal manera que los nucleótidos 1 a 3 corresponden al aminoácido 1, los nucleótidos 4 a 6 corresponden al aminoácido 2, y así sucesivamente.

Figura\(\PageIndex{2}\): Las instrucciones sobre el ADN se transcriben en ARN mensajero. Los ribosomas son capaces de leer la información genética inscrita en una cadena de ARN mensajero y usar esta información para encadenar aminoácidos juntos en una proteína.

El Código Genético es Degenerado y Universal

Dados los diferentes números de “letras” en los “alfabetos” de ARNm y proteínas, los científicos teorizaron que las combinaciones de nucleótidos correspondían a aminoácidos individuales. Los dobletes de nucleótidos no serían suficientes para especificar cada aminoácido porque solo hay 16 combinaciones posibles de dos nucleótidos (4 ²). En contraste, hay 64 posibles tripletes de nucleótidos (4 ³), que es mucho más que el número de aminoácidos. Los científicos teorizaron que los aminoácidos estaban codificados por tripletes de nucleótidos y que el código genético era degenerado. En otras palabras, un aminoácido dado podría ser codificado por más de un triplete de nucleótidos. Esto se confirmó posteriormente experimentalmente; Francis Crick y Sydney Brenner utilizaron el mutágeno químico proflavina para insertar uno, dos o tres nucleótidos en el gen de un virus. Cuando se insertaron uno o dos nucleótidos, la síntesis de proteínas quedó completamente abolida. Cuando se insertaron tres nucleótidos, la proteína se sintetizó y funcionaba. Esto demostró que tres nucleótidos especifican cada aminoácido. Estos tripletes de nucleótidos se denominan codones. La inserción de uno o dos nucleótidos cambió completamente el marco de lectura del triplete, alterando así el mensaje para cada aminoácido posterior (Figura\(\PageIndex{4}\)). Aunque la inserción de tres nucleótidos provocó la inserción de un aminoácido extra durante la traducción, se mantuvo la integridad del resto de la proteína.

Los científicos resolvieron minuciosamente el código genético traduciendo ARNm sintéticos in vitro y secuenciando las proteínas que especificaron (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Esta figura muestra el código genético para traducir cada triplete de nucleótidos en ARNm en un aminoácido o una señal de terminación en una proteína naciente. (crédito: modificación de obra por parte de los NIH)

Además de instruir la adición de un aminoácido específico a una cadena polipeptídica, tres de los 64 codones terminan la síntesis de proteínas y liberan el polipéptido de la maquinaria de traducción. A estos trillizos se les llama codones sin sentido, o codones de parada. Otro codón, AUG, también tiene una función especial. Además de especificar el aminoácido metionina, también sirve como codón de inicio para iniciar la traducción. El marco de lectura para la traducción se establece mediante el codón de inicio AUG cerca del extremo 5' del ARNm.

El código genético es universal. Con algunas excepciones, prácticamente todas las especies utilizan el mismo código genético para la síntesis de proteínas. La conservación de codones significa que un ARNm purificado que codifica la proteína globina en caballos podría transferirse a una célula de tulipán, y el tulipán sintetizaría globina de caballo. Que solo haya un código genético es evidencia poderosa de que toda la vida en la Tierra comparte un origen común, sobre todo considerando que existen alrededor de 10 ⁸⁴ combinaciones posibles de 20 aminoácidos y 64 codones tripletes.

Enlace al aprendizaje

Transcribir un gen y traducirlo a proteína usando apareamiento complementario y el código genético en este sitio.

Figura\(\PageIndex{4}\): La deleción de dos nucleótidos desplaza el marco de lectura de un ARNm y cambia todo el mensaje proteico, creando una proteína no funcional o terminando la síntesis de proteínas por completo.

Se cree que la degeneración es un mecanismo celular para reducir el impacto negativo de las mutaciones aleatorias. Los codones que especifican el mismo aminoácido típicamente solo difieren en un nucleótido. Además, los aminoácidos con cadenas laterales químicamente similares están codificados por codones similares. Este matiz del código genético asegura que una mutación de sustitución de un solo nucleótido podría especificar el mismo aminoácido pero no tener ningún efecto o especificar un aminoácido similar, evitando que la proteína se vuelva completamente infuncional.

Conexión Método Científico: ¿Cuál Tiene Más ADN: Un Kiwi o una Fresa?

Figura\(\PageIndex{5}\): ¿Crees que un kiwi o una fresa tiene más ADN por fruto? (crédito “kiwi”: “Kelbv” /Flickr; crédito: “fresa”: Alisdair McDiarmid)

Pregunta: ¿Un kiwi y una fresa que son aproximadamente del mismo tamaño (Figura\(\PageIndex{5}\)) también tendrían aproximadamente la misma cantidad de ADN?

Fundamento: Los genes son transportados en cromosomas y están hechos de ADN. Todos los mamíferos son diploides, es decir, tienen dos copias de cada cromosoma. Sin embargo, no todas las plantas son diploides. La fresa común es octoploide (8 n) y el kiwi cultivado es hexaploide (6 n). Investigue el número total de cromosomas en las células de cada uno de estos frutos y piense en cómo esto podría corresponder a la cantidad de ADN en los núcleos celulares de estas frutas. Lea sobre la técnica de aislamiento de ADN para comprender cómo cada paso en el protocolo de aislamiento ayuda a liberar y precipitar el ADN.

Hipótesis: Hipótesis si sería capaz de detectar una diferencia en la cantidad de ADN de fresas y kiwis de tamaño similar. ¿Qué fruto crees que produciría más ADN?

Pon a prueba tu hipótesis: Aísle el ADN de una fresa y un kiwi de tamaño similar. Realizar el experimento en al menos triplicado por cada fruto.

1. Prepare una botella de tampón de extracción de ADN a partir de 900 mL de agua, 50 mL de detergente para platos y dos cucharaditas de sal de mesa. Mezclar por inversión (taparlo y darle la vuelta unas cuantas veces).
2. Moler una fresa y un kiwi a mano en una bolsa de plástico, o usando un mortero y una mano de mortero, o con un bol de metal y el extremo de un instrumento romo. Moler durante al menos dos minutos por fruto.
3. Agregar 10 mL del tampón de extracción de ADN a cada fruto, y mezclar bien durante al menos un minuto.
4. Retirar los restos celulares filtrando cada mezcla de frutas a través de una gasa o tela porosa y en un embudo colocado en un tubo de ensayo o en un recipiente apropiado.
5. Vierte etanol helado o isopropanol (alcohol para frotar) en el tubo de ensayo. Se debe observar ADN blanco precipitado.
6. Reúne el ADN de cada fruto enrollándolo alrededor de varillas de vidrio separadas.

Registre sus observaciones: Debido a que no está midiendo cuantitativamente el volumen de ADN, puede registrar para cada ensayo si los dos frutos produjeron cantidades iguales o diferentes de ADN observadas a simple vista. Si uno u otro fruto produjo notablemente más ADN, registre esto también. Determina si tus observaciones son consistentes con varias piezas de cada fruto.

Analiza tus datos: ¿Notaste una diferencia obvia en la cantidad de ADN que produce cada fruto? ¿Tus resultados fueron reproducibles?

Saca una conclusión: Dado lo que sabes sobre el número de cromosomas en cada fruto, ¿puedes concluir que el número de cromosomas necesariamente se correlaciona con la cantidad de ADN? ¿Se puede identificar algún inconveniente de este procedimiento? Si tuvieras acceso a un laboratorio, ¿cómo podrías estandarizar tu comparación y hacerla más cuantitativa?

Resumen

El código genético se refiere al alfabeto de ADN (A, T, C, G), al alfabeto de ARN (A, U, C, G) y al alfabeto polipeptídico (20 aminoácidos). El Dogma Central describe el flujo de información genética en la célula desde los genes hasta el ARNm y las proteínas. Los genes se utilizan para producir ARNm por el proceso de transcripción; el ARNm se usa para sintetizar proteínas por el proceso de traducción. El código genético es degenerado porque 64 codones tripletes en ARNm especifican solo 20 aminoácidos y tres codones sin sentido. Casi todas las especies del planeta utilizan el mismo código genético.

Glosario

Dogma Central

establece que los genes especifican la secuencia de ARNm, que a su vez especifican la secuencia de proteínas

codón

tres nucleótidos consecutivos en ARNm que especifican la inserción de un aminoácido o la liberación de una cadena polipeptídica durante la traducción

colineal

en términos de ARN y proteína, tres “unidades” de ARN (nucleótidos) especifican una “unidad” de proteína (aminoácido) de manera consecutiva

degeneración

(del código genético) describe que un aminoácido dado puede ser codificado por más de un triplete de nucleótidos; el código es degenerado, pero no ambiguo

codón sin sentido

uno de los tres codones de ARNm que especifica la terminación de la traducción

marco de lectura

secuencia de codones tripletes en ARNm que especifican una proteína particular; un desplazamiento ribosómico de uno o dos nucleótidos en cualquier dirección suprime completamente la síntesis de esa proteína