UNIDAD 13 PARTE II explicada

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V.- EXPRESION Y VARIACION GENETICA
Unidad 13. Parte II: Código genético. Código epigenético. Naturaleza del código.
Descifrado del código. Universalidad del código. Traducción. Procesos genéticos de la
síntesis de proteínas.
No se descarta la posibilidad de que un único ARNm tenga múltiples puntos de iniciación
para la traducción. Se han descubierto al menos cuatro casos de iniciación múltiple en virus,
formándose genes solapados. Los polipéptidos K y B se inician dentro de la secuencia
específica A, pero en una fase de lectura diferente. La secuencia K se solapa con la
secuencia que especifica C. La secuencia E, tienen una fase de lectura diferente de D, pero
se inicia dentro de ésta. Ambas terminan en el mismo punto. En total se forman siete
polipéptidos diferentes, a partir de una secuencia de ADN que de otra manera habría
especificado sólo tres. La utilización de pautas de lectura solapadas, optimiza el uso de la
limitada cantidad de ADN de los virus pequeños. Pero ello tiene una contra, pues la
mutación única puede afectar a más de una proteína e incrementar las posibilidades de que
el cambio sea letal.
Una vez establecida la relación lineal de bases, con la de aa en las proteínas se planteó una
doble problemática: conocer la clave que transforma un mensaje de cuatro letras en otro de
20 y en segundo lugar establecer porque medios llegan a sintetizarse las moléculas proteicas
a partir de la información contenida en otra molécula, como lo es el ADN.
La primera luz para resolver el problema de la clave genética, la dio Gamow en 1954, al
proponer que un lenguaje de 4 letras se utilizaba para codificar los aminoácidos. Las
características de la clave genética o código genético, fueron dadas posteriormente por Crick
en 1961.
Tres bases codifican un aminoácido: la utilización de sólo tres bases de las cuatro, permitían
forman 64 combinaciones posibles para codificar los aminoácidos.
Código degenerado: se llama así por el hecho que cada aminoácido está codificado por más
de un triplete
Código no superpuesto: cada base es sólo una parte del triplete que codifica un aa a lo largo
del ARNm. De otra manera un nucleótido podría formar parte de más de un triplete y los aa
no podrían aparecer juntos en la secuencia polipéptídica.
Código sin puntuación: el ribosoma lee el mensaje de triplete en triplete, sin espacios vacíos
entre ellos o nucleótidos que actúan como espaciadores.
Está perfectamente establecido que el código genético no es solapado.
Como se ha destacado, la combinación de 3 bases da lugar a la formación de 64 tripletes,
donde 61 responden a los aminoácidos y tres no codifican ningún aa: UAA, UAG y UGA y
son interpretados como codones de terminación. Los codones que codifican un mismo aa
son semejantes. Como resultado de este patrón, es mucho menos probable que las
mutaciones espontáneas que provocan un cambio único de base en un gen, provoquen
un cambio en la secuencia de aa en la proteína. La comparación de nucleótidos para la
misma proteína en diferentes especies, indican que se han acumulado sustituciones de
nucleótidos muchos mayores, que las sustituciones que cambian la secuencia de
aminoácidos de las proteínas y sin embargo no la alteran. Los aa similares tienen
codones similares.
La mayor semejanza entre codones de aa parecidos está en los dos primeros
nucleótidos, mientras que la mayor variabilidad se presenta en el tercer nucleótido.
Ahora si consideramos a los 16 codones que terminan en U, si la U se cambia por una
C, se especifica el mismo aa. La íntercambiabilidad de la base en la tercera posición,
le permitió a Crick proponer que la misma especie de ARNt, podía reconocer más de
un codón. Su propuesta recibe el nombre de “hipótesis de bamboleo”, así la U del
anticodón puede aparearse con A o con G, la G del anticodón puede aparearse con U o
con C y la I (inosina, derivada de la guanina) del anticodón puede aparearse con U, C
ó A. La hipótesis del bamboleo se verifica cuando algunas moléculas de ARNt,
pueden unirse con más de un codón para ese aa. Esto permite a las bacterias
decodificar su ARNm con tan solo 30 ARNt. En eucariontes hay bamboleo, pero de
manera restringida. El genoma humano tiene 48 ARNt y sólo 16 utilizan el titubeo y
los 32 restantes son específicos para un solo triplete
La universalidad del código es una evidencia del origen evolutivo común, de todos los seres
vivos. El código es universal, porque un determinado codón, corresponde a un mismo aa en
todos los organismos. Existen, sin embargo, algunas excepciones a la universalidad del
código genético, como se puede ver la diapositiva.
Además de los 20 aa estándar, las proteínas pueden contener residuos no estándar, creados
por modificación de los residuos estándar ya incorporados a un polipéptido. Entre los aa no
estándar están la 4-hidroprolina, derivado de la prolina y la 5-hidroxilisina, derivada de la
lisina. La primera se encuentra en la pared celular de plantas y ambas se encuentran en el
colágeno, proteína del tejido conjuntivo. Hay un caso especial, donde un residuo es
introducido durante la síntesis de proteínas, en lugar de ser creado a través de una
modificación pos-sintética. Los investigadores descubrieron que UGA, el codón de
finalización, puede reprogramarse y actuar como codón que inserta un aa. La selenocisteína,
el aa número 21 (identificado en 1986) se encuentra en todos los seres vivos. Para su
inserción requiere la presencia en el ARNm, de una secuencia específica de nucleótidos, que
forman una horquilla y se encuentra a continuación del codón UGA. La misma se denomina
secuencia de inserción de la Sec La incorporación es mediada por un ARNt especializado.
La selenocisteína, contiene selenio en lugar de azufre de la cisteína, proviene de la serina,
siendo un donador de Selenio de alta energía, es un constituyente de solo unas pocas
proteínas conocidas.
La pirrolisina descubierta en el 2002, se lo encontró en Archaea. También utiliza UGA para
la incorporación
Las estructuras no específicas del mensaje genético, sino que sirven como armazón dentro
del cual, se realiza la síntesis de los polipéptidos, son los ribosomas. Los ribosomas son
partículas citoplasmáticas ribonucleoproteicas situadas libres en el citosol, adheridos al RE,
a la superficie externa de la envoltura nuclear, en cloroplastos y en mitocondrias. En E.coli
hay alrededor de 20.000 distribuidos por todo el citoplasma. Constan de dos partes, en las
bacterias, la subunidad grande es de 50S y la subunidad menor 30 S, están unidas por
enlaces Mg++. Desde el punto de vista molecular, las proteínas y el ARN pueden variar de
unos organismos a otros. Las subunidades grande y pequeña están normalmente separadas,
se unen mientras se realiza la traducción y vuelven a separarse cuando termina la lectura del
ARNm.
La subunidad mayor tiene una protuberancia en la parte lateral y otra en la región central, un
apéndice más alargado en una posición más o menos simétrica respecto a la protuberancia
lateral. La subunidad menor es mucho más asimétrica, tiene una cabeza y un tronco unido
por un cuello. En el tronco y a la altura del cuello sobresalen dos lóbulos que forma una
hendidura en el cuello.
El ARNt desempeña un papel fundamental durante la traducción: por un lado se debe unir al
aa correcto y por otro lado debe interaccionar con el ARNm. Las bacterias contienen entre
30 y 45 ARNt, mientras los eucariontes tienen hasta 50. Adquiere la característica estructura
en hoja de trébol donde se distingue:
• Brazo aceptor formado por 7 pares de bases en los extremos 5`y 3’ El aa se une al
extremo 3’ a la adenosina de la secuencia terminal ACC
• El brazo D posee nucleótidos modificados a dihidrouridina
• El brazo del anticodón contiene el triplete de nucleótidos, llamado anticodón, que se
aparea por sus bases con el ARNm.
• El brazo TψC llamado así por las secuencia timina-seudouridina.
• En bucle V con números variables de nucleótidos, de acuerdo al tipo de ARNt
Es fundamental para el proceso, que cada moléculade ARNt quede unida sólo con el aa
adecuado. La especificidad del enlace se efectúa, por las enzimas que catalizan la reacción,
conocidas con el nombre de aminoacil-ARNt sintetasas o enzimas activadoras de
aminoácidos. Los organismos tienen 20 aminoacil-ARNt sintetasa. Una por cada aa. La
enzima tiene un PM de aproximadamente 100.000 d. en todos los casos examinados, desde
E.coli hasta mamíferos y cada aa tiene una enzima específica.
En el primer paso se dice que el aminoácido queda activado, se forma un complejo
adenilado aminoácido-enzima y desde éste punto hacia la molécula de ARNt y por último
hacia la cadena de polipéptido. La formación del ARNt cargado, tiene lugar cuando la
enzima con su aa adelinado choca con el ARNt produciendo el desplazamiento de la enzima
y el AMP.
Estas reacciones son de gran especificidad, ya que las enzimas, son capaces de discriminar
entre aa que resultan muy semejantes, así también parecería que sutiles diferencias se
encuentran a nivel de la estructura terciaria del ARNt, que determinan su selección o
rechazo por las diferentes enzimas.
Hay casos en donde la aminoacil sintetasa no se une a un aa sino que lo hace a un
compuesto que es transformado en aa por una segunda reacción química. En archaea, el
ácido aspártico se une al ARNt y luego se convierte es asparagina por transamidación. En
estos casos ocurren transformaciones a aa presentes en el código genético. Hay dos ejemplos
en los que las modificaciones dan origen a aa infrecuentes. La síntesis de selenocisteína, se
produce después que el ARNt se une a una serina y luego se reemplaza en la serina, un OH
por un SeH. Esto ocurre debido a que para la selonocisteína no hay ARNt específico. La
pirrolisina si tiene ARNt específico.
La síntesis de las proteínas o traducción, es la más compleja de las actividades que tienen
lugar en la célula. Consta de tres etapas: iniciación, elongación y terminación. La lectura se
realiza en sentido 5’ → 3’ y el crecimiento gradual de la cadena, va del extremo NH-
terminal al COOH- terminal.
La mayor parte de las investigaciones concernientes al proceso de iniciación han sido
realizadas en E. coli.
Si un ribosoma se une a la cinta de ARNm en una posición incorrecta, es de suponer que los
tres nucleótidos que leerá especifiquen para un aa incorrecto. Para asegurar que se leen los
tripletes adecuados, el ribosoma se une al ARNm en un sitio preciso, denominado codón
iniciador, AUG, el cual lo sitúa automáticamente en el lugar adecuado para la lectura de
todo el mensaje. Una vez que el ribosoma se une a éste codón, éste se moviliza a lo largo en
bloques de tres nucleótidos.
Los ribosomas, cuando no están participando en el proceso de traducción, se disocian en sus
subunidades grandes y pequeñas. En la iniciación de la traducción en E.coli participa la
subunidad pequeña, una molécula de ARNm iniciador, GTP, Mg++ y diversos factores de
iniciación (IF). Los factores proteicos de iniciación en bacterias son, IF1, IF2, IF3. El factor
IF1 no tiene función específica conocida, pero estimula la actividad de IF2 y IF3, y también
se atribuye la función de estabilizar la subunidad pequeña del ribosoma. IF2 interviene en la
unión del primer ARNt unido al aa en los ribosomas, en respuesta a la señal AUG de
iniciación del ARNm, mientras que el papel del factor IF3 es el estimular la unión de la
subunidad 30 S al ARNm.
Los factores de iniciación son numerosos en eucariontes: eI F- 1, 2, 3, 4ª, 4B, 4D, 4E, 4F, 5, 
6.
Es esencial que el ribosoma acompañado del factor de iniciación IF3, se una en un punto
fijo en el mensaje, específicamente en el codón iniciador AUG. La especificidad de
reconocimiento del lugar donde se ha de iniciar la traducción, reside en una corta secuencia
situada en la proximidad, de 3 a 10 nucleótidos corriente arriba del codón de iniciación
AUG del ARNm, denominada secuencia Shine-Dalgarno y una secuencia complementaria
en el ARN 16S.
En relación con el proceso de iniciación en eucariontes, es de destacar que no se han
encontrado las secuencias consenso, como en el caso de bacterias, por lo tanto las
interacciones ARNt y ARNm son diferentes en eucariontes. Sólo un número pequeño de
ARNm, tiene sitios de unión al ribosoma. La mayoría de los ARNm se une a la subunidad
pequeña en el extremo 5’ de la molécula y después barre la secuencia hasta localizar el
codón de iniciación el que forma parte de una secuencia consenso de Kozak (5’
AACCAUGG 3’).
Presentación de los ribosomas completos: A.- Ribosoma antes de iniciar la traducción,
aunque ambas subunidades están unidas. B.- Ribosoma durante el proceso, se puede
observar las secciones y/o sectores que participan durante la traducción.
El codón AUG da como resultado la incorporación de metionina cuando se encuentra en
cualquier sitio del mensaje, a excepción de cuando se encuentra al principio del mensaje,
determinando la incorporación de N-formilmetionina. Esto sugiere la existencia de dos
ARNt, aquel que incorpora metionina en las posiciones internas del polipéptido y aquel
ARNt que incorpora N-formilmetionina en el proceso de iniciación. Pero la formilación de
la metionina en el ARNt, ocurre después que el aa se une al ARNt, una enzima formilante
agrega el grupo formilo al aa. El ARNt iniciador es llevado a la subunidad pequeña por un
segundo factor de iniciación IF2 junto con una molécula de GTP. La fase de iniciación
finaliza cuando IF1 se une al complejo de iniciación
En las mitocondrias y cloroplastos utilizan la N- formilmetionina, lo que determina una 
evidencia más a favor del origen procarionte de estos organelos.
Los componentes de ésta fase son: aminoacil-ARNt, factores de elongación, GTP, el péptido
en crecimiento unido al último ARNt incorporado. Los factores de elongación son EF-G,
EF-Ts, EF-Tu. El primer paso es la entrada del segundo aminoacil ARNt al sitio A del
ribosoma. Antes de que el segundo aminoacil ARNt o cualquiera de los siguientes puedan
llegar a unirse con el ARNm en el sitio A, se debe combinar con uno de los factores de
elongación, EF-Tu y GTP. Se cree que el factor participa en el reconocimiento del codón y/o
en la orientación del aminoacil-ARNt que entra. Una vez que se efectúa la unión del EF-Tu-
GTP – aa-ARNt al ribosoma, el GTP se hidroliza a GDP, lo que favorece la unión del
aminoacil ARNt al sitio A y el complejo EF-Tu- GDP se libera.
El 2º factor soluble EF-Ts, coopera en la liberación del complejo del ribosoma y participa en
la regeneración del EF-Tu- GDP para ser usado en otro lugar. El segundo paso en el ciclo de
alargamiento, es el de formar el enlace peptídico entre el 1º y 2º aa. La reacción se realiza
por la transferencia de la N-formilmetionina del sitio P, al aminoacil-ARNt que
recientemente ha ingresado al sitio A, para formar el enlace peptídico.
Ésta reacción está catalizada por la peptidiltransferasa. Nunca se ha aislado una proteína
asociada con un ribosoma, que tenga actividad de peptidiltransferasa. En la actualidad, se
conoce la razón la falta de éxito por lo menos en bacterias: la actividad enzimatica es
especificada por parte del ARNr 23S y por ende es otro ejemplo de ribozima. La formación
del primer enlace deja un extremo de la molécula de ARNt unida al codón del ARNm en el
sitio A y por el otro extremo se encuentra unido al dipéptido. El sitio P carece de aa.
El tercer paso del proceso de alargamiento implica: 1) la pérdida del ARNt no cargado del
sitio P. El ARNt sin carga se traslada temporalmente a un tercer sitio del ribosoma
denominado sitio E (significa salida o escape) y 2) movilización del ribosoma a lo largo del
ARNm en la dirección 3’. Este paso recibe el nombre de translocación, lo acompaña la
movilización del ARNt con el péptido desde el sitio A al P, o sea en la dirección 3’. En este
desplazamiento, tiene fundamental importancia el factor EF-G. Cada sitio de alargamiento
requiere de la hidrólisis de dos moléculas de GTP, una durante la selección del aminoacil-
ARNt y la otra durante la translocación del ribosoma.
Sólotres codones de los 64 tripletes posibles sirven para el proceso de terminación de las
cadenas de polipéptidos. No existen ARNt con anticodones para estos tripletes. Cuando el
ribosoma llega a uno de estos codones, ya sea UAA, UAG o UGA se recibe la señal para
detener posteriores alargamientos y terminar el polipéptido. En ésta etapa participan tres
factores de liberación, RF1, RF2 y RF3 y GTP. El primero tiene especificidad por los codones
UAA y UAG y el segundo por UAA y UGA y el tercero estimula la liberación de los
anteriores del ribosoma después de la terminación, reacción que requiere energía
proporcionada por hidrólisis de GTP.
Los factores de liberación terminan la traducción, pero no parecen ser responsables de la
disociación de las subunidades ribosómicas, por lo menos en bacterias. Ésta es la función de
otra proteína, llamada factor de reciclado ribosómico (RRF). Es probable que RRF ingrese
al sitio P o en el sitio A y desbloquee al ribosoma. La disociación requiere energía del GTP.
No se ha encontrado su equivalente en los eucariontes. Para que se produzca la liberación de
la cadena polipeptídica, es necesario que tenga lugar la translocación del peptidil–ARNt que
entró al último, de la sede A a la P. Una vez liberado el polipéptido, el ribosoma se disocia
en sus dos subunidades, que quedan dispuestas para iniciar un nuevo ciclo.
La traducción de un determinado mensajero puede realizarse simultáneamente por varios
ribosomas, constituyendo el polirribosoma o polisoma. El número de ribosomas asociados
con un mensajero puede ser más o menos variable. Por ejemplo en reticulocitos lo más
corriente es que haya 5 ribosomas con una separación entre ellos de 150 nucleótidos de
ARNm.
La formación de complejos de polisomas, representa una utilización eficiente de los
componentes disponibles para la síntesis proteica en un momento dado.