¿Cómo se pueden codificar varios codones para el mismo aminoácido?

La hipótesis de la oscilación explica que la unión entre la base del 3er codón y la base del 1er anticodón no sigue el emparejamiento canónico de bases de Watson-Crick, lo que permite que múltiples codones codifiquen un solo aminoácido.

Hay 20 aminoácidos diferentes que pueden formar una proteína (22 si cuentas los aminoácidos raros: selenocisteína y pirrolisina). Cada aminoácido se formula con la ayuda de ribosomas, ARNm y ARNt, que juntos forman la maquinaria generadora de proteínas. Los aminoácidos se agregan uno tras otro en el ribosoma, como cuentas en un collar. El ‘collar’ resultante es una cadena polipeptídica que luego se pliega en una proteína.

La interacción de un ribosoma con ARNm.  Proceso de iniciación de la traducción (Designua) s

La maquinaria de traducción que forma una proteína en el ribosoma (Crédito de la foto: Designua / Shutterstock)

Antes de descubrir cómo múltiples codones pueden codificar un solo aminoácido, aprendamos un poco más sobre los jugadores involucrados.

La transcripción y traducción del ADN son parte de la expresión génica.  Los ribosomas en el citoplasma sintetizan nuevas proteínas (Soleil Nordic) s

El dogma central: el ARNm se transcribe del ADN y sale del núcleo al ribosoma, donde ayuda en la traducción, lo que da como resultado una proteína. (Crédito de la foto: Soleil Nordic / Shutterstock)

ARNm: el punto de partida de la traducción

El ARN mensajero o ARNm es una pieza de ARN monocatenaria. Se sintetiza durante un proceso llamado transcripción, donde la información del ADN se copia o transcribe en una cadena de ARNm. La hélice de ADN de doble hebra se abre y se produce una hebra de ARNm idéntica a la hebra codificante de 5 ‘a 3’. Tenga en cuenta que el ácido ribonucleico (ARN) contiene el nucleótido uridina (U) en lugar de timina (T), que es la única diferencia entre el ARNm y la cadena codificante (5 ‘a 3’) del ADN.

Transcripción y traducción de proteínas

El proceso de transcripción y traducción (Crédito de la foto: Becky Boone / Wikimedia Commons)

Luego, el ARNm llega a la maquinaria de producción de proteínas: los ribosomas. Los ribosomas leen la información del ARNm para producir proteínas. A esto se le llama traducción, como traducir instrucciones para hacer algo.

La información del ARNm se lee tres nucleótidos a la vez en secciones llamadas codones. Cada codón especifica un determinado aminoácido.

Cada codón presente en el ARNm especifica un codón

Cada codón presente en el ARNm especifica un codón (Crédito de la foto: Thomas Splettstoesser / Wikimedia Commons)

Por ejemplo, el codón AUG codifica el aminoácido metionina (Met). AUG también codifica dónde comienza la información de la proteína, llamado codón de inicio, que se requiere para iniciar el proceso de traducción. Por tanto, la metionina es siempre el primer aminoácido de una cadena de aminoácidos. El aminoácido triptófano (Trp) está indicado por el codón UGG.

El ribosoma de vector de síntesis de proteínas ensambla moléculas de proteína (gritsalak karalak) s

El codón de inicio que inicia el proceso de traducción (Crédito de la foto: gritsalak karalak / Shutterstock)

Los codones no solo codifican aminoácidos; también codifican cuándo finalizar el proceso de traducción. Se conocen colectivamente como codones de parada y son UAG, UAA y UGA.

Por lo tanto, un codón es como una contraseña de tres letras que se requiere para obtener un aminoácido y marca dónde se encuentran las instrucciones para comenzar y dejar de producir la proteína.

Tabla de secuencia de aminoácidos (gstraub) s

Los codones de cada aminoácido (Crédito de la foto: gstraub / Shutterstock)

ARNt: el punto de ensamblaje de la traducción

El ARN de transferencia o ARNt también es monocatenario, pero está plegado, a diferencia del ARNm simple. Sirve como enlace físico entre el ARNm y los aminoácidos interpretando el ARNm y transfiriendo los aminoácidos correctos a su lugar mientras se produce la proteína. Si la maquinaria de traducción fuera una fábrica, el tRNA serían los trabajadores de la fábrica que interpretan el manual de instrucciones (el mRNA) para colocar cuidadosamente los productos en el orden especificado.

Traducción

Los ARNt son como trabajadores de una fábrica que ensamblan los aminoácidos para formar una cadena polipeptídica (Crédito de la foto: Lenam14 / Wikimedia Commons)

El ARNt está estructurado de tal manera que tiene un bucle anticodón en un extremo y un brazo / tallo aceptor en el extremo opuesto.

Microbio 11 04 ARNt

La estructura primaria, secundaria y terciaria del tRNA (Crédito de la foto: CNX OpenStax / Wikimedia Commons)

Como sugiere el nombre, el bucle anticodón es complementario y antiparalelo (3 ‘a 5’) de los codones de ARNm. Es decir, el tRNA consta de los 3 nucleótidos que se unen a los presentes en el mRNA. Por lo tanto, la guanina (G) y la citosina (C) se unen entre sí y la adenina (A) y la uridina (U) se unen entre sí.

Entonces, considerando el codón de metionina, AUG, tendría un ARNt de metionina con un anti-codón UAG.

Este tipo de emparejamiento se conoce como emparejamiento de base Watson-Crick. El emparejamiento es como la atracción entre imanes muy específicos. Los anti-codones en el ARNt aseguran que se alinee con el codón correcto en el ARNm. Además, a medida que los codones se leen en la dirección 5 ‘a 3’, los anticodones presentes en el ARNt se colocan en la dirección 3 ‘a 5’.

Maridaje codón-anticodón

El codón, anticodón y tRNA para el aminoácido Alanina (Crédito de la foto: Yikrazuul / Wikimedia Commons)

Esto significa que la base del primer codón se une a la base del tercer anticodón y así sucesivamente. Tenga en cuenta que cada aminoácido tiene su propio ARNt, que lo posiciona correctamente en la cadena polipeptídica debido al apareamiento de bases entre el codón y el anticodón.

Estructura secundaria en forma de hoja de trébol del ARN de transferencia abreviado como ARNt (M. PATTHAWEE) S

El codón del ácido glutámico unido al anticodón del tRNA, que tiene ácido glutámico en el brazo aceptor. (Crédito de la foto: M. PATTHAWEE / Shutterstock)

Sin embargo, como muchas cosas en biología, esto también es un poco más complicado. Cada aminoácido puede especificarse mediante más de un codón. Además, las reglas de emparejamiento de bases entre el codón y el anticodón no son igualmente vinculantes para todas las bases. ¡Aprenderemos más sobre este peculiar fenómeno a continuación!

Hipótesis del bamboleo: ¿Por qué 20 aminoácidos tienen 64 codones?

Como sabemos, el ADN está formado por 4 bases de nucleótidos (A, G, T, C). Estas letras (bases) se leen de tres en tres, lo que significa que hay 64 (4 x 4 x 4) combinaciones posibles de estos tripletes o codones.

De los 64 codones, 3 son codones de terminación, que mencionamos anteriormente. Estos tres codones de parada no codifican aminoácidos y solo terminan el proceso de traducción. Por lo tanto, nos quedamos con 61 codones para solo 20 aminoácidos.

La única opción lógica es que un solo aminoácido puede ser codificado por múltiples codones. Pero, en teoría, se requerirían 61 ARNt diferentes para cada codón diferente, pero este no es el caso. En la naturaleza se han identificado menos de 50 codones.

Esta observación implica que podría haber cierto margen de maniobra entre la coincidencia de codones y anticodones. Considere el aminoácido valina, que está codificado por 4 codones: GUU, GUC, GUA, GUG. Observe que solo cambia la tercera base, mientras que las dos primeras son iguales.

Emparejamiento de bases Watson-Crick y emparejamiento de bases oscilantes para Valine

Emparejamiento de bases Watson-Crick y emparejamiento de bases oscilantes para Valine

Esta variación observada solo en la tercera base del codón condujo a la ‘Hipótesis del bamboleo’, propuesta por Francis Crick (uno de los descubridores de la estructura del ADN) en 1966.

La Hipótesis de Wobble explicó esta variación al revelar que las reglas de emparejamiento de bases de Watson-Crick no se siguieron en la última posición del codón. Es decir, el enlace entre la tercera letra (base de nucleótidos) y la primera letra del anticodón puede mostrar un enlace inusual (no AT / no GC). Por lo tanto, se le permitió ‘tambalearse’.

Esto significó que mientras que la 1ra y 2da base de los codones se adhirieron estrictamente a las reglas del emparejamiento de bases Watson-Crick al unirse a la 3ra y 2da base del anticodón, respectivamente, se permitió el emparejamiento de bases que no eran de Watson-Crick entre la 3ra base. del codón y 1ª base del anticodón. Por tanto, algunos ARNt pueden reconocer muchos codones diferentes. También explica el patrón de redundancia en el código genético (muchos codones para un solo aminoácido).

Las reglas de la hipótesis del bamboleo son las siguientes:

Reglas de la hipótesis del bamboleo

Reglas de la hipótesis del bamboleo

  1. Las dos primeras bases del codón y las dos últimas bases del anticodón experimentan un apareamiento de bases normal de Watson-Crick. Es decir, los enlaces de hidrógeno se forman entre la adenina (A) y la uridina (U), la guanina (G) y la citosina (C), únicamente.
  2. Se aplican reglas menos estrictas de emparejamiento de bases en la posición restante y pueden producirse emparejamientos de bases que no sean de Watson-Crick. Las bases que experimentan dicho emparejamiento también se denominan pares de bases oscilantes. Esto permite que el anticodón de una sola forma (aminoácido específico) de tRNA se empareje con más de un codón en el mRNA.
  3. Cuando la uridina (U) está presente en la posición restante (primera base del anticodón), puede reconocer solo la adenina (A) o la guanina (G).
  4. Cuando la guanina (G) está presente en la posición restante (primera base del anticodón), solo puede reconocer uridina (U) o citosina (C).
  5. Si la base modificada inosina (I) está presente en la posición restante (primera base del anticodón), puede reconocer uridina (U), citosina (C) o adenina (A).

posición de bamboleo

La inosina puede unirse a A, U o C

La razón del emparejamiento de la base oscilante es un deslizamiento por parte del ribosoma. El ribosoma tiene mecanismos para comprobar si las bases del primer y segundo codón son complementarias de las bases del tercer y segundo anticodón, respectivamente. Sin embargo, el ribosoma no tiene un mecanismo para verificar si la base del tercer codón en el ARNm y la base del primer anticodón en el ARNt coinciden.

El significado de la hipótesis del bamboleo

Deslizamiento o no, debido a la oscilación de la base, hay menos posibilidades de errores durante la traducción. Por ejemplo, si el codón CUU de leucina (Leu) se interpretó erróneamente como CUA, CUG o CUC durante la transcripción, el codón todavía se traduciría como leucina (Leu) durante la síntesis de proteínas.

Además, la síntesis de proteínas también está protegida contra mutaciones de una sola base. Por tanto, si la 3ª base en el codón de valina GUU muta y cambia a GUC, GUA o GUG, todavía se traducirá correctamente.

La oscilación y la degeneración del código genético también reducen la cantidad de ARNt que necesita una célula. Por ejemplo, para los cuatro codones diferentes de glicina, solo hay 3 ARNt presentes en E. coli.

Entonces, si bien es cierto que múltiples codones pueden codificar un solo aminoácido, es el “bamboleo” observado entre la base del tercer codón y la base del primer anticodón lo que hace posible esta flexibilidad.