SEDE BOGOTA DNSAV

cap. 1 conceptos de bioquimica

EL LENGUAJE GENÉTICO

La información almacenada y ordenada en forma lineal en el DNA, dirige la formación de la estructura tridimensional de las proteínas. La información fluye del DNA a las proteínas de la siguiente manera: Inicialmente la información lineal de las secuencias de nucleótidos en el DNA se transcriben en información lineal de secuencias de nucleotidos de RNA por medio de un conjunto de procesos conocidos como transcripción; luego, las secuencias de nucleótidos en el RNA se traducen a información lineal en secuencias de aminoácidos por medio de un conjunto de procesos conocido como traducción. En el polipéptido, la secuencia lineal (estructura primaria) determina su estructura secundaria y su organización tridimensional (estructura terciaria) correctas (Figura 1). Tanto la síntesis de RNA como la síntesis de proteínas necesitan energía suministrada por la célula y la información suministrada por los moldes de polinucleótidos (DNA para RNA y RNA para proteína), que dirigen la polimerización de monómeros activados.

Figura 1. Dogma central de la Biología.

El flujo primario de información transcurre de izquierda a derecha y cada paso es catalizado por proteínas. Este flujo de información fue llamado el dogma central de la biología molecular por el profesor Francis Crick, codescubridor de la estructura secundaria del DNA.

EL LENGUAJE GENETICO ES COMPLEJO E INTERPRETADO POR VARIOS CÓDIGOS

La información genética de la célula se almacena en secuencias de nucleótidos en los cromosomas. La maquinaria genética de la célula interpreta secuencias específicas como señales moleculares y todas constituyen el lenguaje genético. Se dice que una señal actúa en cis si actúa sobre la misma molécula que la porta, independiente a si está sobre el DNA, el RNA o la proteína. Se dice que una señal actúa en trans si actúa sobre otra molécula. Factores de transcripción son proteínas que actúan en trans sobre secuencias en cis en el DNA.

El llamado código genético es un aspecto importante y bien definido del lenguaje genético formado por varios códigos. El Código Genético describe la relación informacional entre el alfabeto de 20 L-aminoácidos y el alfabeto de los 4 nucleótidos en todos los organismos. Las señales que regulan la transmisión y expresión de la información genética tienen sus propios códigos, diferentes de una especie a otra y todos forman aspectos diferentes del lenguaje genético.

Señales genéticas controlan la transmisión y expresión de la información genética

Todas las señales son almacenadas en secuencias de nucleótidos dentro del material genético, pero pueden funcionar a nivel de DNA, RNA o proteína. Las señales genéticas pueden funcionar como secuencias de nucleótidos o de aminoácidos o como conformaciones tridimensionales de DNA o RNA o proteínas. La función propia y adecuada de las señales genéticas incluye la interacción entre una señal en los ácidos nucleicos y otra señal en una proteína o más.
Entre las señales genéticas en el DNA, que funcionan durante la transmisión de la información genética se conocen los orígenes de replicación y los sitios para la segregación de cromosomas durante la división celular. En organismos eucarióticos, los sitios encargados de la segregación aparecen (en cromosomas metafásicos) como constricciones llamadas CENTROMEROS que tienen los CINETOCOROS, a los cuales se unen las fibras del Huso Mitótico para la segregación apropiada de los cromosomas enteros en mitosis y en la segunda división meiótica.
Las señales genéticas que controlan la expresión de la información genética pueden funcionar en DNA, en RNA o en proteína. Las señales en el DNA incluyen los promotores y otros sitios de unión para proteínas que modulan la transcripción . Pueden también ocurrir señales especiales para que sucedan rearreglos genéticos definidos, tales como los que ocurren en los genes de las inmunoglobulinas durante el desarrollo del sistema inmune de los vertebrados. En organismos procarióticos se conocen señales de terminación de la transcripción que no se han demostrado en organismos eucarióticos. En el RNA se encuentran señales que funcionan durante la expresión de la información genética y estas incluyen señales de terminación de la transcripción, señales de procesamiento del RNA, señales para la alineación de las proteínas y señales de iniciación y terminación de la traducción. En las proteínas se encuentran tanto señales para el procesamiento de las proteínas como secuencias hidrófobas aminoterminal que funcionan en la inserción de proteínas (de exportación y transmembrales) en la membrana.
Las señales que controlan la transmisión y expresión de la información genética no son universales en secuencia ni en estructura terciaria (aunque pueden ser muy similares) y las secuencias específicas varían entre las especies y aún entre sitios diferentes dentro del genoma del mismo organismo.

El código genético establece la relación colinear entre las proteínas y los ácidos nucleicos

Las reglas para relacionar la secuencias de nucleótidos en el RNA con la secuencia de aminoácidos en la proteína parecen ser las mismas en todos los seres vivos con pequeñas excepciones. Cada aminoácido en la proteína está especificado por la secuencia de una tripleta del mRNA, llamada palabra o codón (subsecuencia de tres nucleótidos). En el mRNA los codones son contiguos, no se superponen y no están separados por espaciadores. El diccionario del código genético se indica en la tabla 1..
Se dice que el código genético es degenerado, lo cual quiere decir que un aminoácido es especificado por más de un codón, pero los codones no son ambiguos, en el sentido en que cada uno específica un solo aminoácido.
La estructura del código genético minimiza los efectos de la mutación. Frecuentemente los cambios en la tercera base de un codón no causan cambios en el aminoácido que este codón especifica. Se dice que tales mutaciones son silenciosas, aunque se debe considerar la posibilidad de que tales mutaciones causen efectos de modulación en la expresión de los genes, mediados por ejemplo por concentraciones diferenciales del tRNA que interpreta el nuevo codón. La segunda base del codón se relaciona, con más consistencia, con la naturaleza química del aminoácido correspondiente. Todos los aminoácidos con cadenas laterales fuertemente no polares son especificados por codones que tienen una pirimidina en la segunda posición.
Cuatro de los codones cumplen funciones especiales:
1. El codón AUG cerca del extremo 5' (principio) de un mRNA codifica para formil-Metionina en organismos procarióticos o para Metionina en organismos eucarióticos, y es la señal para la iniciación de la traducción. Este mismo codón AUG también fija el MARCO DE LECTURA, es decir el punto (nucleótido) de iniciación que establece cuáles grupos de tres bases en el mRNA son interpretados como codones por la maquinaria que sintetiza proteínas.
2. Los codones UAG, UAA y UGA son señales de terminación de la traducción es decir hacen que el polipéptido que se está formando se libere en forma prematura del complejo mRNA-Ribosoma. A menudo se les llama codones AMBAR, OCRE y OPAL respectivamente.
El código genético es universal. La caracterítica de universalidad se refiere a que se usa el mismo código en todos los organismos en los que se ha estudiado, aunque se conocen excepciones a esta universalidad. Las mitocondrias eucarióticas (las de mamíferos y hongos han sido estudiadas en detalle), usan la tripleta UGA como un codón para triptófano en vez de ser un codón de terminación. Las mitocondrias de células de mamíferos usan, aparentemente, el codón AUA como un segundo codón para Metionina; las mitocondrias de las células de levadura usan la familia CUX (donde X es igual a A, C, G, U) como codones para Treonina, en vez de Leucina.

CODON	AMINOACIDO	CODON	AMINOACIDO
UUA	Leucina	UAU	Tirosina
UUG	Leucina	UAC	Tirosina
CUU	Leucina	UAA	Terminación
CUC	Leucina	UAG	Terminación
CUA	Leucina	UGA	Terminación
CUG	Leucina	CAU	Histidina
AUU	Isoleucina	CAC	Histidina
AUC	Isoleucina	CAA	Glutamina
AUA	Isoleucina	CAG	Glutamina
GUU	Valina	AAU	Asparagina
GUC	Valina	AAC	Asparagina
GUA	Valina	AAA	Lisina
GUG	Valina	AAG	Lisina
UCU	Serina	GAU	Ácido Aspartico
UCC	Serina	GAC	Ácido Aspartico
UCA	Serina	GAA	Ácido Glutamico
UCG	Serina	GAG	Ácido Glutamico
AGU	Serina	UGU	Cisteina
AGC	Serina	UGC	Cisteina
CCU	Prolina	UGG	Triptofano
CCC	Prolina	CGU	Arginina
CCA	Prolina	CGC	Arginina
CCG	Prolina	CGA	Arginina
ACU	Treonina	CGG	Arginina
ACC	Treonina	AGA	Arginina
ACA	Treonina	AGG	Arginina
ACG	Treonina	UUU	Fenilalanina
GCU	Alanina	UUC	Fenilalanina
GCC	Alanina	GGU	Glicina
GCA	Alanina	GGC	Glicina
GCC	Alanina	GGA	Glicina
AUG	Metionina	GGG	Glicina

Del código genético se nota que de los 64 codones solo 61 especifican aminoácidos, y que cada codon puede mutar a nueve diferentes codones por el cambio de un sólo nucleótido, por ejemplo con un mutación en la Prolina (CCU) se puede obtener:

Posición	Aminoácido	Tipo
1	ACU (Thr)	No sinónima
1	GCU(Ala)	No sinónima
1	UCU(Ser)	No sinónima
2	CAU(His)	No sinónima
2	CGU(Arg)	No sinónima
2	CUU(Leu)	No sinónima
3	CCA(Pro)	Sinónima
3	CCC(Pro)	Sinónima
3	CCG(Pro)	Sinónima

Entonces se tienen 549 sustituciones posibles de los nucleótidos (61 * 9); si asumimos que las mutaciones son aleatorias y además que todos los codones son igualmente frecuentes, podemos calcular la proporción esperada de los diferentes tipos de sustitución de nucleótidos. (Tabla 3).

TIPO	NUMERO	PORCENTAJE
En todos los Codones	549	100
Sinonimas	134	25
No sinonimas	415	75
Mal sentido	392	71
Sin sentido	23	4

Primera Posición	183	100
Sinonimas	8	4
No sinonimas	175	96
Mal sentido	166	91
Sin sentido	9	5

Segunda Posición	183	100
Sinonimas	0	0
No sinonimas	183	100
Mal sentido	176	96
Sin sentido	7	4

Tercera Posición	183	100
Sinonimas	126	69
No sinonimas	57	31
Mal sentido	50	27
Sin sentido	7	4

Tabla 3 Mutaciones por cada posición del codón.
Li and Graur(199)

REFERENCIAS:

MOLECULAR EVOLUTION, Wen-Hsiung Li 1997, Sinauer Associates, Inc., Publishers.
ALGORITHMS FOR MOLECULAR BIOLOGY, Edab Goldberg and Rotern sorek 2000.
GENETICS A MOLECULAR APROACH, T. A. BROWN 1992.

CODON

AMINOACIDO

CODON

AMINOACIDO