¡El código genético es un degenerado!

¡Hola a todos! Hoy quiero contarles un poco de un tema que me parece muy interesante y el cual no me deja de sorprender ni a mí ni a los científicos que trabajan con las moléculas de la vida. Se trata de cómo es que la información guardada en el DNA de los genes es “leída” y entendida por las células para obtener proteínas para llevar a cabo sus funciones.

En este link podrán encontrar un breve repaso de las generalidades de las biomoléculas que serán recurrentes a continuación:
https://imperiodelaciencia.wordpress.com/2012/01/08/acidos-nucleicos-y-proteinas/

Para pasar la información del DNA a las proteínas, como ya sabemos, se requiere un intermediario de RNA mensajero. Este RNA se obtiene utilizando el DNA como molde y copiando su secuencia de nucleótidos. El mRNA a su vez pasa a un complejo compuesto por RNA y proteínas llamado ribosoma, el cual “lee” la información del mRNA y la traduce a proteínas. El código genético no es otra cosa sino la clave de traducción que utilizan los ribosomas para leer la secuencia de nucleótidos y pasarla a aminoácidos. En la figura 1 hay una lista de los 20 aminoácidos posibles que conforman a las proteínas. Nótese cómo unos se parecen más entre ellos que a otros, y cómo se agrupan según sus propiedades químicas en polares o con carga (hidrofilicos, se disuelven en agua) y no polares (hidrofóbicos, no se disuelven en agua).

Los 20 aminoácidos más comunes en las proteínas. Están separados por sus propiedades químicas; nótese cómo unos son hidrofóbicos (los no polares) y por lo tanto no se mezclan en el agua, mientras otros son hidrofílicos (polares y con carga) y sí se mezclan con el agua.

El código genético se agrupa en codones o grupos de tres nucleótidos, donde cada codón codifica para uno de los 20 aminoácidos. Como son cuatro nucleótidos posibles (A, U, G o C) y cada codón es una secuencia de tres nucleótidos, tenemos 43 = 64 codones diferentes posibles… Pero espera,  acabamos de decir que son 20 aminoácidos y 64 posibles codones… Entonces, deberíamos pensar que no todos los codones posibles se usan. Pues sí, aunque parezca raro, todos los posibles codones son usados en el código, pues éste es un degenerado. Bueno, bueno ¡tampoco se trata de insultar al pobre código! Con degenerado no me refiero a que sea un pervertido, sino a que casi siempre hay más de un codón que corresponde para un solo aminoácido. El estar degenerado es de gran importancia para amortiguar los efectos de las mutaciones, como veremos más adelante. Cabe señalar que el código genético, salvo en contadísimos organismos, es universal, es decir, el código es válido tanto para los humanos como para los pinos o las bacterias que viven en el mar; y de hecho, cuando es diferente, es muy pero muy poco. En la figura 2 encontramos una tabla con el código genético.

El código genético. Hay 64 diferentes codones posibles, 61 de los cuales codifican para un aminoácido, mientras que los otros 3 son codones de paro (importantes durante la síntesis de proteínas). Se puede observar que la mayoría de los aminoácidos son codificados por más de un codón, por lo que se dice que el código es degenerado. Imagen: Lehninger (2008).

Un ejemplo de cómo se usa el código. Si tenemos la siguiente secuencia de nucleótidos en un RNA:

AUGATTGUUCGATATUGC

La separamos en grupos de tres nucleótidos (codones)

AUG-AUU-GUU-CGA-UAU-UGC

Y utilizando el código genético obtenemos la secuencia de aminoácidos correspondiente:

Metionina-Isoleucina-Valina-Arginina-Tirosina-Cisteína

Pero… ¿qué pasaría si sucede una mutación y cambiamos un nucleótido de una secuencia de DNA? Al cambiar el DNA estamos cambiando por consiguiente el RNA, lo cual puede llevarnos a una lectura diferente en el ribosoma y dar como resultado proteínas equivocadas; de hecho un solo cambio en un aminoácido es capaz de provocar cambios de vida o muerte en una proteína. Sin embargo, el código genético no es cualquier código. Cada codón y cada aminoácido están sorprendentemente arreglados y asociados de tal forma que se reducen las alteraciones y se suavizan los cambios radicales, propiciando que, si sucede una mutación en un gen para proteína, se altere lo menos posible la estructura y función de dicha proteína.

Bueno, para empezar debemos considerar que no todas las mutaciones son igual de probables. Es decir, es mucho más fácil cambiar una purina por otra purina y una pirimidina por otra pirimidina, que una purina por una pirimidina o viceversa. Esto es, es más fácil sustituir una A por una G que la misma A por una U o C; del mismo modo en que es más fácil que haya una mutación de una C por una U que por una A o una G.

El principal amortiguamiento de las mutaciones está en el tercer nucleótido. Esto lo puedes comprobar tú mismo en el código de la figura 2 de la siguiente forma: selecciona un codón al azar y fíjate para qué aminoácido codifica. Ahora cámbiale el último nucleótido y fíjate qué aminoácido está codificando… ¡Es el mismo! Bueno, quizás no, pero en la mayoría de los casos sí, e incluso si no lo es, es uno muy parecido. Por ejemplo, si tomamos el codón ACU veremos que codifica para treonina, y si lo cambiamos a ACC sigue codificando treonina. El codón GAU, por otra parte, codifica para el ácido aspártico, y si lo cambiamos a GAA nos da ácido glutámico; sí, hubo un cambio de aminoácido, pero si te fijas en la figura 1, entre el ácido aspártico y el ácido glutámico no hay gran cosa de diferencia, lo cual también aplica en sus propiedades químicas… Y es más, para cambiar de un codón de aspártico a uno de glutámico se tiene que cambiar una pirimidina por una purina, lo cual ya habíamos quedado que era más difícil.

El primero y el segundo nucleótido están un poco menos amortiguados que el tercero, pero también lo están, pues la mayoría de los cambios en estos nucleótidos nos llevan a aminoácidos diferentes, pero de la misma naturaleza química. Los aminoácidos hidrofóbicos tienen propiedades químicas muy similares a otros aminoácidos hidrofóbicos; mientras que los hidrofílicos se parecen a otros hidrofíicos.  Casi todas las mutaciones  en el segundo o tercer nucleótido nos llevan a cambiar un aminoácido hidrofóbico por otro hidrofóbico, o uno hidrofílico  por otro hidrofílico.

Para demostrar lo bien amortiguado que está el código vamos a seleccionar otro codón al azar: GUA. Este codón codifica para Valina, que es un aminoácido hidrofóbico.

Ahora, veamos todos los codones que podemos obtener cambiándole uno de los tres nucleótidos:

Cambiando el primero: AUA, CUA, UUA.

Cambiando el segundo: GCA, GAA, GGA

Cambiando el tercero: GUG, GUC, GUU.

De estos nueve cambios, podemos ver que tres posibilidades, GUU, GUC y GUG, nos dan de nuevo Valina, por lo que estos cambios no afectan nada a las proteínas. Cinco nos dan un aminoácido diferente, pero hidrofóbico: AUA (Isoleucina), CUA (Leucina), UUA (Leucina), GCA (Alanina) y GGA (Glicina); por lo que estos cambios sí afectan, pero poco, a las proteínas. Sólo uno de los nueve cambios posibles nos da un aminoácido hidrofílico: GAA nos da ácido glutámico, por lo que sólo este cambio afectaría radicalmente a la proteína que tuviera este codón, pero de hecho,  si consideramos que es más fácil cambiar purina por purina y pirimidina por pirimidina, tenemos que el cambio de GUA a GAA es difícil de que suceda.

Está muy padre todo esto, ¿no? Pero nos queda una pregunta… ¿De dónde salió el código genético? Bueno, el hecho de que sea casi universal, y de que en los casos en los que es diferente sea realmente muy parecido al universal, nos indica que debió surgir al principio de la historia de la vida, y que debía estar presente en el último ancestro común que tenemos todos los organismos vivos (figura 3). Algunas teorías sugieren que los aminoácidos ayudaban para la actividad catalítica del RNA (Aquí un poco mpas de información sobre este tema https://imperiodelaciencia.wordpress.com/2011/10/02/%C2%BFque-fue-primero-el-dna-o-la-proteina/), y que poco a poco se fueron asociando ciertos aminoácidos a ciertas moléculas de RNA con secuencias determinadas. Lo cierto es que nuestro código genético no es cualquier código genético. Con el arreglo que hemos visto que tiene, podemos decir que es un código tres veces más eficiente, seguro y amortiguado que cualquier código genético que hiciéramos al azar (designando codones aleatorios a aminoácidos aleatorios). Esto nos hace inclinarnos a pensar que, cualquiera que haya sido el proceso por el cual se formó, el código genético sin duda pasó por un largo y minucioso proceso de selección natural.

En este esquema (muy) simplificado se muestran los tres grandes grupos de seres vivos. Ahí estamos nosotros los eucariontes, las bacterias y las arqueas. Todos provenimos de un ancestro común evolucionado del mundo de RNA y el mundo de las proteínas. Se cree que este ancestro común ya tenía el mismo código genético degenerado que tenemos idéntico todos los seres vivos (salvo dos o tres excepciones en el mundo).

ÍNDICE DE IMÁGENES

[1] Modificada de  http://www.genomasur.com/lecturas/Guia02-2.htm (Licencia Creative Commons)

[2] Lehninger (2008). Principles of Biochemistry.

[3] http://astrobiology.nasa.gov/image.php/tree_of_life.png?image=/team/images/2009/2560/tree_of_life.png&width=950

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