jueves, 16 de abril de 2020

CIENCIAS NATURALES - NOVENOS 904 Y 905 - CARLOS DELGADO


DOCENTE: Carlos Alberto Delgado

NOMBRE: _________________________________________________ FECHA: _______________ NOTA: _________


El siguiente texto es una modificación de un escrito original cuyas referencias están al final

El Código Genético

El código genético relaciona los grupos de nucleótidos en un ARNm con los aminoácidos en una proteína. Codones de inicio, codones de terminación, marco de lectura.

Introducción

¿Alguna vez le has escrito un mensaje secreto a alguno de tus amigos? Si es así, tal vez hayas usado algún código para mantener el mensaje oculto. Por ejemplo, tal vez hayas reemplazado letras de las palabras con números o símbolos siguiendo un conjunto particular de reglas. Para que tu amigo pueda entender el mensaje, es necesario que conozca el código y aplique el mismo conjunto de reglas, en reversa, para decodificarlo.
Decodificar mensajes también es un paso clave en la expresión génica, donde la información de un gen se lee para construir una proteína. En este artículo revisaremos con más detalle el código genético, el cual permite que las secuencias de ADN y de ARN se "decodifiquen" en los aminoácidos de una proteína.
Antecedentes: fabricación de una proteína
Los genes que contienen instrucciones para generar proteínas se expresan en un proceso de dos pasos.
·         En la transcripción, la secuencia de ADN de un gen se "reescribe" en forma de ARN. En eucariontes, el ARN debe someterse a etapas de procesamiento adicionales para convertirse en ARN mensajero, o ARNm. Ver los siguientes dos videos

·         En la traducción, la secuencia de nucleótidos del ARNm se "traduce" en una secuencia de aminoácidos de un polipéptido (cadena proteica).

Codones
Las células decodifican el ARNm al leer sus nucleótidos en grupos de tres, conocidos como codones. A continuación, algunas características de los codones:
·         La mayoría de los codones especifican un aminoácido
·         Tres codones de "terminación" marcan el fin de una proteína
·         Un codón de "inicio", AUG, marca el comienzo de una proteína y además codifica para el aminoácido metionina.
Los codones en un ARNm se leen durante la traducción; se comienza con un codón de inicio, y se sigue hasta llegar a un codón de terminación. Los codones de ARNm se leen de 5' a 3' y especifican el orden de los animoácidos en una proteína de N-terminal (metionina) hasta C-terminal.
La secuencia del ARNm es:
3'-AUGAUCUCGUAA-5'
La traducción implica leer los nucleótidos del ARNm en grupos de tres, cada uno de los cuales especifica un aminoácido (o proporciona una señal de terminación que indica que ha finalizado la traducción).
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG metionina (inicio) AUC isoleucina UCG serina UAA "alto"
Secuencia del polipéptido: (extremo-N) metionina-isoleucina-serina (extremo-C)
Para mayor claridad veamos los siguientes videos en su orden:
o mejor de nuevo en español

La tabla del código genético

El conjunto completo de relaciones entre los codones y los aminoácidos (o señales de terminación) se conoce como el código genético. Con frecuencia, el código genético se resume como una tabla. 

Tabla del código genético. Cada secuencia de tres letras de nucleótidos de ARNm corresponde a un aminoácido en específico o a un codón de terminación. UGA, UAG y UAA son codones de terminación. AUG es el codón de metionina además de ser el codón de inicio.
Observa como en la tabla muchos aminoácidos están representados por más de un codón. Como ejemplo, hay seis formas distintas de "escribir" leucina en el lenguaje del ARNm (trata de ver si puedes encontrar las seis).
Una característica importante del código genético es que es universal. Es decir, con pequeñas excepciones, prácticamente todas las especies (desde las bacterias hasta tú mismo) usan el código genético que se muestra arriba para la síntesis de proteínas.
Y aquí están los 20 aminoácidos y las siglas para representarlos:

Marco de lectura

Para llegar de un ARNm a una proteína de manera fiable, necesitamos un concepto adicional: el de marco de lectura. El marco de lectura determina cómo se divide la secuencia de ARNm en codones durante la traducción.
Ese es un concepto bastante abstracto, así que examinemos un ejemplo para entenderlo mejor. El ARNm a continuación puede codificar tres proteínas totalmente diferentes, según el marco de lectura con el que se lea.
Secuencia de ARNm: 5'-UCAUGAUCUCGUAAGA-3'
Lectura en el marco 1:
5'-UCA UGA UCU CGU AAG A-3'
Ser-ALTO-Ser-Arg-Lys
Lectura en el marco 2:
5'-U CAU GAU CUC GUA AGA-3'
His-Asp-Leu-Val-Arg
Lectura en el marco 3:
5'-UC AUG AUC UCG UAA GA-3'
Met (inicio)-Ile-Ser-ALTO
La posición del codón de inicio asegura que se elija el marco 3 para traducir el ARNm.
Así, ¿cómo sabe una célula cuál de estas proteínas hacer? La clave es el codón de inicio. Puesto que la traducción comienza en el codón de inicio y sigue en grupos sucesivos de tres, la posición del codón de inicio asegura que el ARNm se lea en el marco correcto (en el ejemplo anterior, el marco 3).
Las mutaciones (cambios en el ADN) que insertan o eliminan uno o dos nucleótidos pueden cambiar el marco de lectura y causan la producción de una proteína incorrecta "aguas abajo" del lugar de la mutación:
La ilustración muestra una mutación de marco de referencia donde el marco de lectura se altera por la deleción de dos aminoácidos.

¿Cómo se descubrió el código genético?
La historia de cómo se descubrió el código genético es bastante genial y épica. Hemos guardado nuestra versión en la siguiente sección emergente con el fin de no distraerte si tienes prisa. Sin embargo, si tienes un poco de tiempo, sin duda es una lectura interesante. 

Descubrimiento del código
Para descifrar el código genético, los investigadores necesitaban averiguar cómo las secuencias de nucleótidos de una molécula de ADN o ARN podían codificar la secuencia de aminoácidos de un polipéptido.
¿Por qué era esto un problema difícil? Imaginemos un código muy simple para darnos una idea. En este código, cada nucleótido en la molécula de ADN o ARN puede codificar un aminoácido en una proteína. Pero en realidad este código no puede funcionar ya que comúnmente existen 20 aminoácidos en las proteínas y solo 4 bases de nucleótidos en el ADN o ARN.
Entonces, el código tenía que implicar algo más complejo que una correspondencia de uno a uno entre los nucleótidos y los aminoácidos. ¿Pero qué?

La hipótesis del triplete
A mediados de la década de 1950, el físico George Gamow amplió esta línea de pensamiento y predijo que probablemente el código genético estaba compuesto de tripletes de nucleótidos. En otras palabras, propuso que un grupo de 3 nucleótidos en un gen podrían codificar un aminoácido en una proteína.
El razonamiento de Gamow era que incluso un código de dobletes (2 nucleótidos por aminoácido) tampoco funcionaría, puesto que solo permitiría 16 grupos ordenados de nucleótidos (4 elevado al cuadrado), insuficientes para representar los 20 aminoácidos que normalmente se usan para generar proteínas. No obstante, un código basado en tripletes parecía prometedor: dicho código permite 64 secuencias únicas de nucleótidos (4 elevado al cubo), más que suficientes para cubrir los 20 aminoácidos.
Gamow tenía algunas otras ideas no tan correctas sobre cómo se leería el código (por ejemplo, pensaba que los tripletes se traslapaban, y ahora sabemos que no es el caso). Sin embargo, su idea principal —que un código de tripletes era lo "mínimo" que podría cubrir todos los aminoácidos— resultó ser correcta.

La correspondencia entre codones y aminoácidos
La hipótesis de tripletes de Gamow parecía lógica y se aceptó ampliamente. Sin embargo, no se había probado experimentalmente y los investigadores seguían sin saber cuáles eran los tripletes de nucleótidos correspondientes a cada aminoácido.
En 1961 se comenzó a descifrar el código genético con el trabajo del bioquímico estadounidense Marshall Nirenberg. Por primera vez, Nirenberg y sus colegas fueron capaces de identificar los tripletes específicos de nucleótidos que correspondían a aminoácidos en particular. Su éxito se debió a dos innovaciones experimentales:
-       Una manera de generar moléculas de ARNm artificial con secuencias específicas y conocidas.
-       Un sistema para traducir ARNm en polipéptidos fuera de la célula (un sistema "libre de células").
El sistema de Nirenberg estaba compuesto de citoplasma de células lisadas de E. coli, las cuales contienen todos los materiales necesarios para la traducción.
Primero, Nirenberg sintetizó una molécula de ARNm compuesta únicamente del nucleótido uracilo (llamada poli-U). Al añadir ARNm de poli-U al sistema libre de células, encontró que los polipéptidos generados estaban compuestos exclusivamente del aminoácido fenilalanina. Puesto que en el ARNm de poli-U solo hay tripletes UUU, Nirenberg concluyó que UUU debía codificar para fenilalanina. Usando la misma técnica, demostró que el ARNm de poli-C se traducía en polipéptidos compuestos exclusivamente del aminoácido prolina, lo que sugería que el triplete CCC podría codificar para prolina.
Secuencia de ARNm: 5'-...UUUUUUUUUUUU...-3' (ARNm de poli-U)
UUU  fenilalanina (Phe)
Secuencia polipeptídica: (N terminal)...Phe-Phe-Phe-Phe...(C terminal)
Otros investigadores, como el bioquímico Har Gobind Khorana en la Universidad de Wisconsin, ampliaron el experimento de Nirenberg al sintetizar ARNm artificiales con secuencias más complejas. Por ejemplo, en un experimento Khorana generó un ARNm poli-UC (UCUCUCUCUC…) y lo agregó a un sistema libre de células similar al de Nirenberg. El ARNm poli-UC se tradujo en polipéptidos con un patrón que alterna los aminoácidos serina y leucina. Estos y otros resultados confirmaron que el código genético se basa en tripletes o codones. Hoy sabemos que la serina está codificada por el codón UCU, mientras que la leucina está codificada por CUC.
Secuencia de ARNm: 5'-...UCUCUCUCUCUC...-3' (ARNm de poli-UC)
UCU →Serina (Ser)
CUC leucina (Leu)
Secuencia polipeptídica: (N terminal)...Ser-Leu-Ser-Leu...(C terminal)
En 1965, con ayuda del sistema libre de células y otras técnicas, Nirenberg, Khorana y sus colegas ya habían descifrado completamente el código genético. Esto es, ya habían identificado el aminoácido o señal de "alto" correspondiente a cada uno de los 646464 codones de nucleótidos. Por sus contribuciones, Nirenberg y Khorana (junto con otro investigador del código genético, Robert Holley) recibieron el premio Nobel en 1968.

Créditos:

El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4,0.

Referencias citadas:

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2.     Nirenberg, M. (2004). Historical review: Deciphering the genetic code – a personal account (Revisión histórica: descifrar el código genético, un relato personal). TRENDS in Biochemical Sciences29(1), 46-54. http://dx.doi.org/10,1016/j.tibs.2003,11.009.
3.     Gellene, Denise. (14 de noviembre de 2011). H. Gobind Khorana, 89, Nobel-winning scientist, dies (H. Gobind Khorana, científico ganador del Premio Nobel, muere a los 89 años de edad). The Nueva York Times. Consultado en http://www.nytimes.com/2011/11/14/us/h-gobind-khorana-1968-nobel-winner-for-rna-research-dies.html?_r=0.
4.     H. Gobind Khorana – Nobel Lecture (Conferencia Nobel). NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Lunes 6 de mayo de 2019. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1968/khorana/lecture/

Referencias:

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 ACTIVIDAD

1.   Leer con cuidado realizar un glosario de términos de mínimo veinte conceptos explicados con sus propias palabras
2.   Crear un polipéptido utilizando el código genético, escribiendo la secuencia de bases nitrogenadas (mínimo 66) indicando los codones, anticodones y el número de aminoácidos utilizados. Tener en cuenta los codones de inicio y los de terminación y utilizar los símbolos o siglas de los aminoácidos para representar el polipéptido
3.   Consultar y escribir ejemplo de 5 proteínas y su utilidad para el cuerpo humano

Enviar su trabajo a carlosnatalejo@gmail.com

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