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TEMA 48

EL CÓDIGO GENÉTICO

1. INTRODUCCIÓN. EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR EN 1953, Watson y Crick postularon un modelo para la estructura del DNA y propusieron un mecanismo para la replicación del DNA, y por tanto, para la transmisión de la información genética de generación en generación. El modelo de Watson y Crick mostró de qué manera se podía almacenar la información en la molécula de DNA. Todos los organismos vivos poseen un programa genético codificado que se almacena en el DNA donde se estructuran los genes. En la misma época, se comprobó que las proteínas tenían una participación fundamental en todos los procesos bioquímicos de la célula y que la especificidad de estas es el resultado de su estructura primaria, es decir, de la secuencia lineal de aminoácidos que forman la molécula y que, a su vez, determina mayormente su estructura tridimensional. Esto promovió la realización de estudios para demostrar cuál es la relación existente entre genes y proteínas. Se quería determinar la correspondencia entre el lenguaje de nucleótidos en el DNA y el lenguaje de aminoácidos en las proteínas. Así, finalmente se dilucidó el código genético, y posteriormente se establecieron los principios básicos de la síntesis de proteínas.

Figura 1. Dogma central de la Biología Molecular

El proceso mediante el cual la información almacenada en el DNA dirige la síntesis de proteínas se conoce como el dogma central de la biología molecular y es una generalidad aplicable a todos los organismos (Fig. 1). La información contenida en el ADN es decodificada en dos etapas consecutivas denominadas transcripción y traducción. El DNA dirige su propia replicación y el flujo de información tiene lugar desde el DNA al RNA hasta las proteínas. Por tanto este proceso se inicia con la transcripción, etapa en la cual la información almacenada en el DNA se transfiere al RNA y se hace disponible para la síntesis de proteínas. De manera que una serie de mecanismos de modificación postranscripcional o de procesamiento de las moléculas de RNA, genera el RNA mensajero (mRNA) que posteriormente y según especifica el código genético, determinando la secuencia de aminoácidos, culmina con la síntesis de proteínas. Esta etapa se lleva a cabo en los ribosomas mediante el transporte de los aminoácidos por parte del RNA de transferencia (tRNA) y las enzimas aminioacil-tRNA sintetasas, proceso que recibe el nombre de traducción (Fig. 2).

Figura 2. Proceso de Traducción

Por tanto, la traducción de una secuencia de nucleótidos en una secuencia de aminoácidos esta mediada por moléculas adaptadoras de tRNA. Una región de la molécula de 1

tRNA se une covalentemente a un aminoácido específico, mientras que otra región del mismo tRNA interacciona de forma directa con una molécula de mRNA por emparejamiento de bases complementarias. La unión sucesiva de los aminoácidos, secuencialmente especificados por el molde de mRNA, permite la síntesis correcta de las proteínas. Las reglas, para la expresión de la información genética, por las que la secuencia de polinucleótidos de un gen es traducida a una secuencia de aminoácidos de una proteína se denominan código genético. Las características del código genético fueron establecidas experimentalmente por Francis Crick, Sydney Brenner y colaboradores en 1961. Las principales propiedades del código genético son las siguientes: 

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



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 interrupciones o sin que existan espacios en blanco.



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 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.

2. DESCUBRIMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO. 2.1. Esta organizado en tripletes sin superposiciones y se realiza una lectura “sin comas” El orden de los nucleótidos en el DNA es de crucial importancia porque define la secuencia específica de aminoácidos que tendrá la futura proteína. Sólo participan 4 nucleótidos diferentes que establecen un código específico, que define el significado de esta información. Cada nucleótido dispone de tres elementos: una base nitrogenada, un azúcar (la desoxirribosa) y un grupo fosfato. La base es la verdaderamente responsable de la especificidad de la información y existen cuatro diferentes, que se identifican con las letras A (Adenina), G (Guanina), C (Citosina) y T (Timina) y representan las cuatro letras con las que se escribirá el libro de la vida. En el RNA, el azúcar cambia por ribosa y la base Timina se sustituye por U (Uracilo). Hasta los años sesenta no se conoció el código genético. En 1955 George Gamow propuso sus unidades estructurales básicas. Debido a que el “alfabeto” del DNA está formado por sólo cuatro letras (A, T, G, C) y estas codifican los 20 aminoácidos conocidos, dedujo que el código genético debería contener “palabras” formadas uniformemente por tres letras. Las palabras de tres letras permiten un vocabulario de 64 (4 3) palabras (tripletes), más que suficiente para especificar los 20 aminoácidos, sin llegar a ser un número excesivo.

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En principio un código formado por tres letras puede tener o no solapamiento. En un código con solapamiento, una letra forma parte de más de una palabra, por el contrario, en un código sin solapamiento, cada letra formaría parte de una sola palabra. Wittmann (1962) demostró induciendo mutaciones con ácido nitroso en el RNA del virus del mosaico del tabaco (TMV) que se trata de un código sin solapamiento, por tanto un nucleótido solamente forma parte de un triplete (Fig. 3). Así, se suponía que el código genético estaba formado por palabras de tres letras sin solapamiento, es decir por tripletes de nucleótidos denominados codones. 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. Además, en un código de tres letras sin solapamiento, el mensaje traducido a partir de una determinada secuencia de letras depende del punto en el cual se comience la traducción, el desplazamiento del mismo cambia totalmente el mensaje. Cada punto de partida potencial define una secuencia de palabras de tres letras denominada pauta de lectura. Hay tres pautas de lectura pero sólo una genera una proteína funcional . De este modo la traducción correcta del código genético depende del establecimiento correcto de la pauta de lectura de la traducción.

Figura 3. Código Genético sin solapamiento

Por otra parte, como 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 de la última adición o deleción. Una adición y una deleción sucesivas vuelven a restaurar el cuadro de lectura. 2.2. Experimentos de asignación de codones a aminoácidos concretos 3

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 secuencias 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 RNA mensajeros para utilizarlos posteriormente como mensajeros artificiales en un sistema acelular de traducción "in vitro". Estos sistemas acelulares de traducción "in vitro" son extractos libres de células que procedían de la bacteria E. coli y contenían todo lo necesario para llevar a cabo la traducción: 

ribosomas,



todos los RNA transferentes,



aminoácidos,



enzimas,



etc.

A estos sistemas acelulares se les quitaban los RNA mensajeros de E. coli y se les añadía un RNA sintetizado artificialmente para sintetizar un polipéptido. Posteriormente, se comparaba la secuencia del mRNA sintético utilizado en el experimento con la secuencia de aminoácidos del polipéptido producido. La puesta a punto de estas técnicas requería poder sintetizar mRNA 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 experimentos: utilización de homopolímeros, empleo de heteropolímeros de secuencia conocida y la técnica de incorporación de ARN transferente. 2.2.1.Utilización de homopolímeros Un homopolímero es un RNA sintético que solamente contiene un tipo de ribonucleótido: Ej el RNA sintético UUUUUUUU o poli-uridílico. i.

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

ii.

Matthei y Nirenberg (1961) consiguieron sintetizar polipéptidos in vitro añadiendo un RNA sintético de secuencia conocida a un sistema acelular estable de traducción. 

Usando la Polinucleótido fosforilasa sintetizaron poli-uridílico Cuando emplearon este RNA sintético como molde, la traducción daba lugar a la 4

formación de un polipéptido que solamente contenía el aminoácido fenilalanina (Poli-fenilalanina: phe-phe-phe-phe-..). 

Así se identificó el codón UUU específico para Phe.

Experimentos similares identificaron CCC para prolina y poco tiempo después, Ochoa sintetizó Poli-adenílico y observó que el polipéptido que aparecía solamente tenía el aminoácido lisina. Por tanto identificaron AAA para lisina. 2.2.2.Empleo de polímeros de secuencia conocida La siguiente forma de abordar el desciframiento de la clave genética fue utilizar RNA 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-UC, RNA mensajero sintético en el que se repite muchas veces seguidas el dinucleótido UC, obtuvieron un polipéptido que contenía los residuos de serina y leucina en secuencia alternada (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 otros mensajeros sintéticos Poli-AC, Poli-AG y Poli-UG que codificaban respectivamente para los siguientes dos aminoácidos: treonina e histidina, arginina y glutámico, y cisteína y valina. 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, Poli-arginina y Poli-glutamato. 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 traducción comienza por la segunda A, se repite AGA-AGA-AGA-AGA-..., y si la traducción comienza por la G, se repite el triplete GAAGAA-GAA- -.... (Fig. 4).

Figura 4. Diferentes puntos de inicio de lectura en mRNA sintético.

Naturalmente, en este experimento no se sabe cuál de los tres aminoácidos corresponde a cada uno de los tres tripletes 2.2.3.Técnica de incorporación de RNA transferente En esta técnica se utilizan mRNA sintéticos de secuencia conocida con la siguiente estructura: los grupos de Khorana y Nirenberg emplearon trinucleótidos, mientras que el 5

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 RNA transferente (tRNA) se incorpora al ribosoma. Dicha especificidad viene determinada por la secuencia de nucleótidos del mRNA sintético empleado. Para averiguar el tRNA que es capaz de unirse en el ribosoma al trinucleótido analizado, es necesario marcar radiactivamente uno de los tRNA de todos los utilizados. Se lleva a cabo esta operación marcando radiactivamente cada vez un tRNA distinto. Con este sistema fue posible descifrar todos los tripletes que aún no habían sido descifrados. Estos estudios demostraron que los codones son tripletes cuya lectura se realiza secuencialmente y sin solapamiento. Estos experimentos permitieron descifrar 61 de los 64 codones existentes.

Figura 5: Código genético estándar. a) Formato en tabla. b) Formato circular. El codón AUG en verde especifica Met y sirve de inicio de la traducción. Los codones UAA, UAG y UGA especifican codones de terminación de la traducción.

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Así, podemos asemejar el código genético a un idioma. Los idiomas utilizan una cierta cantidad de letras, éstas se combinan para formar palabras, y cada palabra tiene un significado, designa a un objeto particular. En el código genético están presentes todos estos elementos: las letras son las 4 bases que forman las cadenas de RNA (A, U, C, G); las palabras son siempre agrupaciones de 3 letras o tripletes de bases, llamadas codones en la molécula del mRNA, y los objetos designados por dichas palabras son cada uno de los 20 aminoácidos que componen las proteínas. Por tanto, el código genético se puede considerar el “lenguaje de la vida” y consiste en un sistema de tripletes o codones que especifican el orden de los aminoácidos en una proteína a partir de una secuencia de nucleótidos, y casi todos los organismos comparten el código genético estándar que se muestra en la Figura 5. Por convenio se escribe en la dirección 5´ hacia 3´. 2.2.4. Codon stop Uno de los primeros indicios de la existencia de codones stop provino del trabajo de Brenner con el fago T4 en 1965. Brenner analizó ciertas mutaciones (m1-m6) en un gen único que controla las proteínas de la cabeza del fago; y descubrió que las proteínas de cada mutante tenían una cadena polipeptídica más corta que la del tipo salvaje. Brenner examinó los extremos de las proteínas acortadas y los comparó con la proteína salvaje. Para cada mutante, registró el aminoácido siguiente al que debería haberse insertado para continuar con la cadena salvaje. Los aminoácidos para las seis mutaciones fueron glutamina, lisina, ácido glutámico, tirosina, triptofano, y serina. Estos resultados no presentan de manera inmediata un patrón obvio, pero Brenner dedujo brillantemente que ciertos codones de cada uno de estos aminoácidos son similares. Específicamente, cada uno de estos codones puede mutar a UAG por un cambio simple en un nucleótido del DNA. Brenner postuló que UAG es un codón stop (terminación), una señal de que la proteína está completa para el mecanismo de la traducción. 

UAG fue el primer codón stop descifrado; y se denominó codón ámbar. Los mutantes que son defectuosos debido a la presencia de un codón ámbar anormal se denominan mutantes ámbar.



Los otros dos codones de parada son UGA y UAA. Por analogía con el codón ámbar, a UGA se lo denominó codón ópalo y codón ocre a UAA.



Los mutantes que son defectuosos debido a la presencia de un codón anormal, ópalo u ocre, se denominan mutantes ópalo y ocre, respectivamente.



Los codones stop a menudo se llaman codones sin sentido porque no designan a ningún aminoácido.

Además de una proteína de la cabeza más corta, el fago mutante de Brenner tenía otro rasgo interesante: la presencia de una mutación supresora (su-) en el cromosoma del hospedador podría causar que el fago desarrollase la proteína de la cabeza de tamaño normal (salvaje) a pesar de llevar la mutación m. 3. MÁS CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO

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Este código genético tiene otra serie de características principales, no es ambiguo, está degenerado y es casi universal. 3.1. El código genético es degenerado Existen varios codones para la mayor parte de los aminoácidos, por eso se dice que el código genético esta degenerado. Los distintos codones que codifican un mismo aminoácido se conocen como codones sinónimos. Los únicos aminoácidos codificados por un único codón son la metionina y el triptófano (Fig. 6). En los codones sinónimos, los dos primeros nucleótidos suelen ser suficientes para especificar un determinado aminoácido, mientras que el tercero normalmente varía. Así, las mutaciones en la tercera posición del codón no cambian el sentido de dicho codón. Además, los codones químicamente parecidos.

con

secuencias

similares

especifican

aminoácidos

Por ejemplo, los codones para la treonina difieren de los codones de serina en un solo nucleótido en la posición 5´, mientras que los codones para el aspártico y el glutámico comienzan por GA y difieren únicamente en la posición 3´. De modo análogo, los codones que tienen U en la segunda posición especifican siempre un aminoácido hidrofóbico; cuando estos codones se cambian en la posición 5´o en la 3´, en la proteína se seguirá incorporando un aminoácido hidrofóbico. Así con estas características, se minimiza el efecto de las mutaciones, ya que el cambio de un solo nucleótido genera otro codón que frecuentemente aún especifica el mismo aminoácido u otro de características químicas similares. Las células no suelen sintetizar proteínas no funcionales como resultado de la sustitución de un solo nucleótido. Pero las mutaciones pueden cambiar el sentido de los codones cambiando algunos nucleótidos, como es el caso de las mutaciones erróneas que cambian de aminoácido codificado o bien de las mutaciones sin sentido cuando surge un codón de terminación. También insertando o eliminando nucleótidos se generan mutaciones de pauta de lectura, que provocan el cambio no de un solo codón, sino de todos los codones que se encuentran después de la mutación.

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Figura 6. Codones que especifican para cada aminoáci...